JP3433508B2 - Scattering absorber measurement method and scattering absorber measuring device - Google Patents
Scattering absorber measurement method and scattering absorber measuring deviceInfo
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は種々の入射角度成分をも
つ光を散乱吸収体に入射し、散乱吸収体の内部を拡散伝
搬した光を検出して、散乱吸収体の内部情報を非侵襲に
計測するもので、散乱吸収体の吸収係数や輸送散乱係数
の絶対値、特定吸収成分や特定散乱成分の絶対量、ヘモ
グロビンの酸素飽和度、及びそれらの時間変化や空間分
布などを計測すること、あるいはそれらの計測精度を高
めることができる散乱吸収体計測方法及び散乱吸収体計
測装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention makes light having various incident angle components incident on a scattering medium, detects light diffused and propagated inside the scattering medium, and non-invasively detects internal information of the scattering medium. The absolute value of the absorption coefficient and transport scattering coefficient of the scattering medium, the absolute amount of the specific absorption component and the specific scattering component, the oxygen saturation of hemoglobin, and their temporal change and spatial distribution should be measured. Alternatively, the present invention relates to a scattering medium measuring method and a scattering medium measuring device capable of enhancing the measurement accuracy of these.
【０００２】[0002]
【従来技術】生体のような散乱吸収体の吸収係数、散乱
係数、輸送散乱係数、あるいは特定吸収成分の濃度や絶
対量、さらにはこれらの時間変化や空間分布などを精密
に測定したいという要請は非常に強く、現在までに連続
光（cw光）や変調光（例えばパルス光、方形波光、正弦
波変調光など）を用いる方法、さらにはこれらに波長の
異なる光を適用する方法（例えば２波長分光法）など、
種々の試みがなされている。また、散乱吸収体の内部を
拡散伝搬する光の振る舞いは、コンピュータによるモン
テカルロシミュレーションで解析・実験・検討できるこ
と、および光拡散理論（Photon Diffusion Theory)によ
って、記述、解析できることが知られている。また、散
乱吸収体計測に関する最近の状況は、例えば次に示す参
考文献1)乃至5)などの文献に詳しく述べられている（な
お、以下では、参考文献を文献番号X)、あるいは文中の
x)で示す）。2. Description of the Related Art There is a demand for precisely measuring the absorption coefficient, scattering coefficient, transport scattering coefficient of a scattering medium such as a living body, or the concentration and absolute amount of a specific absorption component, as well as their temporal changes and spatial distribution. It is very strong and uses the continuous light (cw light) or modulated light (eg pulsed light, square wave light, sine wave modulated light, etc.) up to now, and the method of applying different wavelength light to them (eg 2 wavelengths) Spectroscopy), etc.
Various attempts have been made. In addition, it is known that the behavior of light diffusely propagating in the scattering medium can be analyzed / experimented / examined by computer Monte Carlo simulation, and can be described and analyzed by the photon diffusion theory. In addition, the recent situation regarding scattering absorber measurement is described in detail in documents such as the following references 1) to 5) (hereinbelow, reference number is X), or in the text.
x) ).
【０００３】［参考文献］
１） Ｂ． Ｃ． Ｗｉｌｓｏｎ ａｎｄ Ｓ． Ｌ．
Ｊａｃｑｕｅｓ： Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔ
ａｎｃｅ ａｎｄＴｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｏｆ
Ｔｉｓｓｕｅｓ： Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ Ａｐ
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２） Ｍ．Ｓ． Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ， Ｊ．Ｄ． Ｍ
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Ｂ． Ｃｈａｎｃｅ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ
Ｔｉｍｅ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｓｃａｔｔ
ｅｒｉｎｇ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｔｏＰｈｏｔ
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３） Ｅ．Ｍ． Ｓｅｖｉｃｋ， Ｎ．Ｇ． Ｗａｎ
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４） Ｅ．Ｍ． Ｓｅｖｉｃｋ， Ｂ． Ｃｈａｎｃ
ｅ， Ｊ． Ｌｅｉｇｈ， Ｓ． Ｎｉｏｋａ， ａｎ
ｄ Ｍ． Ｍａｒｉｓ：Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｏｎ ｏ
ｆ Ｔｉｍｅ− ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｒｅｓ
ｏｌｖｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｐｅｃｔｒａ ｆｏｒ
ｔｈｅＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｉｓｓ
ｕｅ Ｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ， Ａｎａｌｙｔｉｃａ
ｌ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｖｏｌ．１９５，ｐ．
３３０−３５１ （１９９１）
５） Ｍ．Ｓ． Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ， Ｂ． Ｃｈａ
ｎｃｅ， ａｎｄ Ｂ．Ｃ． Ｗｉｌｓｏｎ： Ｔｉｍ
ｅ ＲｅｓｏｌｖｅｄＲｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ａｎｄ
Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｎｏ
ｎ−Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ
Ｔｉｓｓｕｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅ
ｓ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｖｏｌ．２
８， Ｎｏ．１２， ｐｐ．２３３１−２３３６（１９
８９）
６） Ｓ．Ｔ． Ｆｌｏｃｋ， Ｍ．Ｓ． Ｐａｔｔｅ
ｒｓｏｎ， Ｂ．Ｃ． Ｗｉｌｓｏｎ ａｎｄ Ｄ．
Ｒ． Ｗｙｍａｎ： Ｍｏｎｔｅ ＣａｒｌｏＭｏｄｅ
ｌｉｎｇ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ
ｉｎ Ｈｉｇｈｌｙ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｉｓ
ｓｕｅｓ − Ｉ： ＭｏｄｅｌＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎ
ｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ Ｄｉｆ
ｆｕｓｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ
ｓ． ＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇ．， Ｖｏｌ．３
６， Ｎｏ．１２， ｐｐ．１１６２−１１６８ （１
９８９）
しかし、以上のような従来技術では、「いずれの方法や
装置を用いても、十分な計測精度が得られな
い１−４）」という大きな問題がある。[References] 1) B. C. Wilson and S.M. L.
Jacques: Optical Reflect
ance andTransmittance of
Tissues: Principle and Ap
application, IEEE J. Quatum
Electron. Vol. 26, No. 12,
pp. 2186-2199 (1990) 2) M.I. S. Patterson, J.M. D. M
Oulton, B.A. C. Wilson, and
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Time-Resolved Light Scatter
ering Measurements to Photo
odynamic Therapy Dosimet
ry, Proc. SPIE, Vol. 1203
p. 62-75 (1990) 3) E.I. M. Sevic, N.M. G. Wan
g, and B.G. Change: Time-dep
end Photon Migration Im
aging, Proc. SPIE, Vol. 15
99, p. 273-283 (1991) 4) E. M. Sevic, B.A. Chanc
e, J. Leigh, S .; Nioka, an
d M. Maris: Quantification o
f Time- and Frequency-Res
olved Optical Spectra for
theDetermination of Tiss
ue Oxygenation, Analytica
Biochemistry Vol. 195, p.
330-351 (1991) 5) M.M. S. Patterson, B.A. Cha
nce, and B. C. Wilson: Tim
e Resolved Reflectance and
Transmittance for the No
n-Invasive Measurement of
Tissue Optical Property
s, Applied Optics, Vol. Two
8, No. 12, pp. 2331-2336 (19
89) 6) S. T. Flock, M .; S. Patte
rson, B.A. C. Wilson and D.M.
R. Wyman: Monte Carlo Mode
ling of Light Propagation
in Highly Scattering Tis
sues-I: Model Prediction
s and Comparison with Dif
fusion Theory, IEEE Tran
s. Biomedical Eng. , Vol. Three
6, No. 12, pp. 1162-1168 (1
989) However, in the above-mentioned conventional techniques, there is a big problem that "sufficient measurement accuracy cannot be obtained regardless of which method or apparatus is used 1-4) ".
【０００４】ここで、以上のような従来技術を眺めてみ
ると、比較的計測精度が高いものは、参考文献5)に報告
されている方法や装置、あるいはこれに準拠した方法や
装置2-4)であることがわかる。ところが、このような従
来技術は、散乱吸収体にコリメート光、あるいはほぼコ
リメートな光を入射するものであり、このような光入射
条件が、直接的あるいは間接的に従来技術の大きな問題
点である計測精度を大きく制限する原因になっている。
以下では、本願の発明の目的と新規性の理解を容易にす
るために、従来技術の代表例として、従来技術の中で最
も計測精度が優れていると考えられる前記参考文献5)に
報告されている方法や装置、あるいはこれに準拠した方
法や装置について説明する。このとき、本願の発明の特
徴の一つは、後述するように、種々の入射角度成分をも
つ光を散乱吸収体に入射することであることを念頭に置
いて考えると、以下の説明が理解され易い。また、前記
利用分野や従来技術で、コリメート光以外の光入射を利
用する計測方法や装置について検討や解析をした報告
は、全く知られていない。[0006] Looking at the above-mentioned conventional techniques, the one having relatively high measurement accuracy is found to be the method or device reported in Reference 5), or the method or device conforming thereto 2- It turns out that it is 4) . However, in such a conventional technique, collimated light or almost collimated light is incident on the scattering medium, and such a light incident condition is a major problem of the conventional technique directly or indirectly. This is a cause of severe limitation of measurement accuracy.
In the following, in order to facilitate the understanding of the object and novelty of the invention of the present application, as a representative example of the conventional technique, the above-mentioned reference 5) which is considered to have the best measurement accuracy in the conventional technique is reported. The method and the device which have been carried out, or the method and the device which conform to this are explained. At this time, one of the features of the invention of the present application is that, as will be described later, considering that light having various incident angle components is incident on the scattering medium, the following explanation is understood. It is easy to be beaten. Further, there is no known report in the above-mentioned field of use or the prior art in which examinations and analyzes of measurement methods and devices utilizing light incidence other than collimated light are conducted.
【０００５】さて、散乱吸収体内部を拡散伝搬する光の
振る舞いは、光拡散理論（Photon Diffusion Theory)に
よって、かなり厳密に記述、解析できることが知られて
いる。つまり、光輸送理論の拡散近似から導かれる光拡
散方程式を解くことによって、散乱吸収体に入射された
光が散乱、吸収されながら散乱吸収体の内部を拡散伝搬
する様子を知ることができる。ところが、散乱吸収体の
大きさが有限であるときは、境界条件を設定して光拡散
方程式を解く必要がある。この境界条件は、散乱吸収体
の外部では、光拡散がないため、拡散伝搬光が存在しな
いということである。It is known that the behavior of light diffusing and propagating inside a scattering medium can be described and analyzed quite rigorously by the photon diffusion theory. That is, by solving the light diffusion equation derived from the diffusion approximation of the light transport theory, it is possible to know how the light incident on the scattering medium diffuses and propagates inside the scattering medium while being scattered and absorbed. However, when the size of the scattering medium is finite, it is necessary to set boundary conditions and solve the light diffusion equation. This boundary condition is that there is no light diffusion outside the scattering medium, so that there is no diffuse propagation light.
【０００６】そこでPattesonらは上記を考慮して、境界
条件を含んだモデルを考案し、そのモデルから境界条件
下の光拡散方程式の解、つまり光子流動率（fluence ra
te)φを導出し、この光子流動率φから導出した光子流
Ｊの時間波形（後述するように、光子の飛行時間分布に
相当する）が、実際の実験値および前記モンテカルロシ
ミュレーションで得られる結果とほぼ一致することを報
告した5)。このモデルは図２０に示すようなもので、次
に列記する条件、仮定、近似、及び負極性の点光源など
が導入されている5)。なお、前記光子流動率φ、光子流
（photon current density) Ｊなどについては、後で詳
しく説明する。[0006] Therefore, in consideration of the above, Patteson et al. Devised a model including boundary conditions, and from the model, the solution of the light diffusion equation under the boundary conditions, that is, the photon fluence ra
te) φ, and the time waveform of the photon flow J (corresponding to the time-of-flight distribution of photons as described later) derived from this photon flow rate φ is obtained by actual experimental values and the results obtained by the Monte Carlo simulation. It was reported that it was almost the same as 5) . This model is as shown in Fig. 20, and the following conditions, assumptions, approximations, and negative point light sources have been introduced5 ) . The photon flow rate φ and the photon current density J will be described later in detail.
【０００７】（１）入射光は細いコリメート光であり、
散乱吸収体に垂直に入射される。(1) The incident light is a thin collimated light,
It is vertically incident on the scattering medium.
【０００８】（２）入射された光または光子（photon）
は、まず散乱の影響を受けずに距離ｚ0 ′だけ直進し、
その後で拡散が始まると仮定する。(2) Incident light or photon (photon)
Goes straight for a distance z 0 ′ without being affected by scattering,
Suppose that diffusion then begins.
【０００９】（３）光子流動率φは、散乱吸収体表面
（自由表面と呼ばれる）で零になると仮定する。(3) It is assumed that the photon flow rate φ becomes zero on the surface of the scattering medium (called the free surface).
【００１０】（４）上記の境界条件を満足させるため
に、散乱吸収体表面の外側ｚ0 ′の位置に、負極性の点
光源を導入する。(4) In order to satisfy the above boundary conditions, a point light source having a negative polarity is introduced at a position outside the surface of the scattering medium z 0 ′.
【００１１】（５）自由表面における光子流Ｊは、その
自由表面における光子流動率φの勾配(gradient)に比例
すると仮定する（Fickの法則と呼ばれる）。(5) It is assumed that the photon flow J on the free surface is proportional to the gradient of the photon flow rate φ on the free surface (called Fick's law).
【００１２】ここで、彼らの方法を具体的に説明すると
次のようになる。彼らは、散乱吸収体に垂直に入射する
光は、まず散乱の影響を受けずにｚ0 ′だけ直進し、そ
の後で拡散が始まると考え、この現象を散乱吸収体のｚ
0 ′だけ内部の位置に置いた点光源でモデル化した。つ
ぎに、前記の境界条件（つまり自由表面でφ＝０）を満
たすために、負極性の点光源を散乱吸収体の外側のｚ軸
上のｚ＝−ｚ0 ′の位置に仮定した。そして、境界条件
下の光拡散方程式の解、つまり光子流動率φを導出し
た。つぎに、光子流Ｊは Fick の法則に従うとして、上
記で求めた自由表面における光子流動率φの傾斜から、
散乱吸収体の表面から流出する光子流Ｊを求めた。な
お、前記正極性の点光源は全方向に光を放射する。ま
た、負極性の点光源は、正極性の点光源と逆の性質をも
つ仮想の点光源であり、負の強度の光を全方向に放射す
ると考える。Here, their method will be specifically described as follows. They think that light that is incident vertically on the scattering medium first travels straight z 0 ′ without being affected by scattering, and then diffusion starts.
It was modeled with a point light source placed at 0'inside. Next, in order to satisfy the above boundary condition (that is, φ = 0 on the free surface), a negative point light source was assumed at the position of z = −z 0 ′ on the z axis outside the scattering medium. Then, the solution of the light diffusion equation under the boundary condition, that is, the photon flux rate φ was derived. Next, assuming that the photon flow J complies with Fick's law, from the slope of the photon flux rate φ on the free surface obtained above,
The photon flow J flowing out from the surface of the scattering medium was determined. The positive point light source emits light in all directions. The negative point light source is a virtual point light source having the opposite property to the positive point light source, and is considered to emit light of negative intensity in all directions.
【００１３】さらに彼らは、上記モデル及びそれから得
られる結果について検討し、上記ｚ0 ′の値が平均自由
行程(mean free path)、つまり１／μS ′、あるいはこ
れにほぼ等しい値になると結論した5)。なお、μS ′は
輸送散乱係数(transport scattering coefficient)であ
る。また、彼らはスラブ状の散乱吸収体を透過する光を
計測する場合についても、上記と同様にしてモデルを検
討し、上記と同様のｚ0 ′を導入した。Furthermore, they examined the above model and the results obtained therefrom and concluded that the value of z 0 ′ was a mean free path, that is, 1 / μ S ′, or a value approximately equal to this. 5) . Note that μ S ′ is a transport scattering coefficient. Also, when measuring the light transmitted through the slab-like scattering absorber, they examined the model in the same manner as above, and introduced the same z 0 ′ as above.
【００１４】以来、彼らの知見は、前記利用分野の種々
の計測に応用することが試みられてきたが、現在のとこ
ろ十分な計測精度が得られていないことは、最初に述べ
た通りである。Since then, their findings have been attempted to be applied to various measurements in the above-mentioned fields of use, but at present, sufficient measurement accuracy has not been obtained, as described above. .
【００１５】[0015]
【発明が解決しようとする課題】本願の発明は、前述し
た従来技術の問題点を解決して、計測精度を大幅に改善
し、さらには絶対値計測を実現させるものである。以下
では．計測精度を大幅に向上させるという観点から従来
技術の問題点を分析し、これと対比する形で本願の発明
が解決しようとする具体的な課題を説明する。SUMMARY OF THE INVENTION The invention of the present application solves the problems of the prior art described above, greatly improves the measurement accuracy, and realizes absolute value measurement. In the following. From the viewpoint of significantly improving the measurement accuracy, the problems of the prior art will be analyzed, and in comparison with this, the specific problems to be solved by the invention of the present application will be described.
【００１６】光は散乱吸収体の内部でランダムに散乱、
吸収されながら拡散伝搬し、散乱吸収体のほぼ全域に広
がり、その一部が表面に出てくる。このような拡散伝搬
光を散乱吸収体表面に配置した光検出器で検出する場
合、光検出器で検出される個々の光子の飛跡を摸式的に
示すと、その概略は図２１のようになる。つまり、図２
１は実際に計測に利用される（光検出器に入射する）光
子の概略の飛跡を示す。この場合、入射光はコリメート
光であり、図中のｚ0 ′は前記のPattesonらが提案した
ｚ0 ′である。但し現在では、後に述べるような本願の
発明者らの検討によって、厳密な意味ではｚ0 ′≠１／
μS ′であることが明らかになっている。また、図２１
の中には、位置Ｐ1 （ρ，０）で光を検出する反射型
と、位置Ｐ２（０，ｚ）で光を検出する透過型の計測法
の様子が合わせて示されている。Light is randomly scattered inside the scattering medium,
While being absorbed, it diffuses and propagates, spreads over almost the entire area of the scattering medium, and a part thereof appears on the surface. When detecting such diffused propagating light with a photodetector arranged on the surface of the scattering medium, the track of each photon detected by the photodetector is schematically shown as shown in FIG. Become. That is, FIG.
Reference numeral 1 denotes a rough track of photons actually used for measurement (incident on the photodetector). In this case, the incident light is collimated light and z 0 ′ in the figure is z 0 ′ proposed by Pattteson et al. However, at present, in the strict sense, z 0 ′ ≠ 1 / based on a study by the inventors of the present application as described later.
It has become clear that it is μ S ′. In addition, FIG.
In the figure, the states of the reflection type measurement method for detecting light at the position P 1 (ρ, 0) and the transmission type measurement method for detecting light at the position P 2 (0, z) are also shown.
【００１７】以上のような光子の振る舞いは、入射光強
度の時間変化つまり入射光の光強度の時間波形とは無関
係であるから、入射光が連続光、パルス光、方形波光、
変調光などであっても、上記の様子は変わらない。例え
ば、図２２は散乱吸収体に正弦波状の変調光を入射して
内部を拡散伝搬した光を受光し、その検出信号から前記
変調周波数成分の信号のみを抽出して、散乱吸収体の内
部情報を計測する様子を示す。図２２に示したように、
ここでも、ｚ０ ′及び−ｚ0 ′の位置に、それぞれ正
極性および負極性の点光源が導入されている。Since the behavior of the photon as described above is not related to the time change of the incident light intensity, that is, the time waveform of the light intensity of the incident light, the incident light is continuous light, pulsed light, square wave light,
Even with modulated light, the above situation does not change. For example, in FIG. 22, the sine wave-shaped modulated light is incident on the scattering medium and the light diffusely propagating inside is received, and only the signal of the modulation frequency component is extracted from the detection signal to obtain the internal information of the scattering medium. It shows how to measure. As shown in FIG.
Here again, positive and negative point light sources are introduced at the positions of z 0 ′ and −z 0 ′, respectively.
【００１８】以上のことを踏まえて、従来技術の問題点
を列挙すると次のようになる。まず第１の問題は、Patt
esonらが採用したｚ0 ′＝１／μS ′あるいはｚ0 ′≒
１／μS ′という仮定が成立しないということである。
これは、従来技術の計測精度を大きく制限しているもの
で、高い計測精度を考える場合、以下の理由からこの仮
定が成立しない。Based on the above, the problems of the prior art are listed below. The first problem is Patt
z 0 ′ = 1 / μ S ′ or z 0 ′ ≈ adopted by eson et al.
This means that the assumption of 1 / μ S ′ does not hold.
This greatly limits the measurement accuracy of the prior art, and when considering high measurement accuracy, this assumption does not hold for the following reasons.
【００１９】本願の発明者らは、本願の発明に先立っ
て、散乱吸収体内部の光の振る舞いを詳細に解析・実験
・検討し、厳密にはｚ0 ′≠１／μS ′であること、及
びｚ0′の値が散乱吸収体に入射する光の入射角度など
の光入射条件に大きく依存することを見い出した。特に
重要なことであるが、ｚ0 ′＝１／μS ′と仮定するこ
とに起因する誤差は、光子流動率φの誤差として問題に
なるだけでなく、光子流動率φから後述するような方法
によって求めた散乱吸収体の吸収係数や輸送散乱係数な
どの誤差を大きく増大させるという重大な問題があるこ
とがわかった。また、上記のPattesonらが報告した結果
と、本願の発明者らのモンテカルロシミュレーションの
結果とは、厳密には一致しない。本願の発明者らのモン
テカルロシミュレーションは、実際の実験結果とよく一
致することが確認してあるので、上記Pattesonらが報告
した結果は、実際の実験結果と厳密には一致しないこと
になる。Prior to the invention of the present application, the inventors of the present application conducted detailed analysis, experiment, and study on the behavior of light inside the scattering medium, and strictly, z 0 ′ ≠ 1 / μ S ′. It has been found that the values of z, and z 0 ′ largely depend on the light incident conditions such as the incident angle of the light incident on the scattering medium. Particularly importantly, the error due to the assumption that z 0 ′ = 1 / μ S ′ is not only a problem as an error of the photon flow rate φ, but also the photon flow rate φ will be described later. It was found that there is a serious problem that errors such as absorption coefficient and transport scattering coefficient of the scattering medium obtained by the method are greatly increased. Further, the results reported by Pattteson et al. And the results of the Monte Carlo simulation by the inventors of the present application do not exactly match. Since the Monte Carlo simulations by the inventors of the present application have been confirmed to be in good agreement with the actual experimental results, the results reported by Pattteson et al. Do not exactly coincide with the actual experimental results.
【００２０】以上から、Pattesonらが報告した方法およ
びこの方法に基づく散乱吸収体の内部情報の計測方法や
装置では、かなり大きな計測誤差が発生することが明ら
かになった。したがって、計測精度の向上を図るには、
より精密な光拡散方程式とその解法あるいは新しいモデ
ルの開発が必要であることが明らかになった。From the above, it was revealed that a considerably large measurement error occurs in the method reported by Pattteson et al. And the method and apparatus for measuring the internal information of the scattering medium based on this method. Therefore, in order to improve the measurement accuracy,
It became clear that more precise light diffusion equation and its solution or development of new model is needed.
【００２１】また上記から、高精度の計測を行うために
は、上記のｚ0 ′を未知数として取り扱うか、あるいは
種々の計測に対する光入射条件を工夫してｚ0 ′が定数
と見做せるようにするなどの対策が必要なことがわか
る。そこで、本願の発明者の一人は、この問題を解決す
る一つの手段として、入射光にパルス光や方形波光を使
用して出力光の時間積分値を利用する散乱吸収体の計測
方法及び装置で、上記ｚ0 ′を未知数として取り扱う方
法及び装置を特願平４−１３２２１４（未公開）として
特許出願している。From the above, in order to perform highly accurate measurement, the above z 0 ′ should be treated as an unknown number, or the light incident conditions for various measurements should be devised so that z 0 ′ can be regarded as a constant. It can be seen that measures such as setting are necessary. Therefore, one of the inventors of the present application is, as one means for solving this problem, a method and an apparatus for measuring a scattering medium that uses pulse light or square wave light as incident light and uses the time integral value of output light. Filed a patent application for a method and apparatus for handling z 0 ′ as an unknown number as Japanese Patent Application No. 4-132214 (unpublished).
【００２２】第２の問題は、前述したｚ0 ′の値が、Pa
ttesonらの論文からも明らかなように、散乱係数の異な
る種々の散乱吸収体に対してそれぞれに異なる値となる
ことである。つまり前記のｚ0 ′は散乱吸収体の輸送散
乱係数の逆数１／μS ′に等しいか、あるいは１／
μS ′にほぼ等しいから、種々の散乱吸収体に対してｚ
0′は種々の値をとることになる。The second problem is that the above-mentioned value of z 0 ′ is Pa
As is clear from the paper by tteson et al., the values are different for various scattering absorbers with different scattering coefficients. That is, z 0 ′ is equal to the reciprocal 1 / μ S ′ of the transport scattering coefficient of the scattering medium, or 1 / μ S ′.
Since it is approximately equal to μ S ′, z for various scattering absorbers
0'can take various values.
【００２３】したがって、種々の散乱吸収体に対する計
測精度を向上させるためには、個々の散乱吸収体の
ｚ0 ′の値を別の方法で正確に知ることが必要になる。
ところが、上記のｚ0 ′の値を知ることは、散乱吸収体
の精密な計測つまりμS ′の値を正確に計測することと
等価であるから、話が振り出しに戻ってしまい、結局、
従来技術で散乱吸収体計測の計測精度を向上させること
は困難になる。Therefore, in order to improve the measurement accuracy for various scattering mediums, it is necessary to know the value of z 0 ′ of each scattering medium accurately by another method.
However, knowing the value of z 0 ′ is equivalent to precisely measuring the scattering medium, that is, accurately measuring the value of μ S ′, so the story returns to the beginning, and eventually,
It becomes difficult to improve the measurement accuracy of the scattering medium measurement by the conventional technique.
【００２４】第３の問題は、散乱吸収体内部の拡散伝搬
光の光路が光入射側と光検出側で非対称になることであ
る。これは、前述したように、光入射の直後に光が
ｚ0 ′の距離だけ直進することに起因している。したが
って、非対称性の原因となる拡散伝搬光の光路の歪み
は、後で詳しく述べるように、光入射位置の近傍つまり
０＜ｚ＜ｚ0 ′の場所に顕著に現れる。The third problem is that the optical paths of diffusely propagating light inside the scattering medium are asymmetric between the light incident side and the light detecting side. This is because, as described above, the light travels straight for a distance of z 0 ′ immediately after the light is incident. Therefore, the distortion of the optical path of diffusely propagating light, which causes asymmetry, remarkably appears in the vicinity of the light incident position, that is, in the place of 0 <z <z 0 ′, as described later in detail.
【００２５】一般に、このような非対称性の取り扱いは
簡単ではなく、散乱吸収体内部の特定成分の絶対量など
を計測するための演算あるいはアルゴリズムの複雑化を
招く。ところが、この複雑さを避けるために何らかの近
似を用いると、計測誤差が増大するという厄介な問題が
ある。また、特定吸収成分などの空間分布を計測する場
合、前記非対称性があると、位置計測に関する演算過程
やそのアルゴリズムが極めて複雑になり、これが間接的
に大きな計測誤差を発生させる原因になるという問題も
ある。このように、第３の問題は、特に散乱吸収体内部
のイメージングや空間分布の計測、あるいは断層像の計
測など場合に、厄介で重大な問題となるので、その改善
が強く望まれる。Generally, the handling of such asymmetry is not easy, and the calculation or algorithm for measuring the absolute amount of the specific component inside the scattering medium becomes complicated. However, if some kind of approximation is used to avoid this complexity, there is a troublesome problem that the measurement error increases. Further, in the case of measuring the spatial distribution of a specific absorption component or the like, if there is the asymmetry, the calculation process for position measurement and its algorithm become extremely complicated, which indirectly causes a large measurement error. There is also. As described above, the third problem is a serious and serious problem particularly in the case of imaging the inside of the scattering medium, measuring the spatial distribution, or measuring the tomographic image. Therefore, improvement thereof is strongly desired.
【００２６】本願の発明の目的は、以上のような従来技
術の問題を解決して、前記利用分野における散乱吸収体
の内部情報計測の計測精度を向上させること、あるいは
散乱吸収体の内部情報の絶対値計測を行うことであり、
さらにはこれらの内部情報の時間変化や空間分布の高精
度計測を行うことである。The object of the invention of the present application is to solve the above-mentioned problems of the prior art and improve the measurement accuracy of the internal information measurement of the scattering medium in the above-mentioned field of use, or to improve the internal information of the scattering medium. Is to measure absolute values,
Furthermore, it is necessary to perform highly accurate measurement of temporal changes and spatial distribution of these internal information.
【００２７】[0027]
【課題を解決するための手段】本願の発明は、散乱吸収
体の表面に種々の入射角度成分をもつ光を入射させて、
散乱吸収体の表面近傍に等価的に点光源あるいは点光源
の集まりを生成させ、この等価光源から発する光を用い
て散乱吸収体の内部情報を計測するもので、種々の散乱
吸収体に対する光入射条件を一定にし、かつ散乱吸収体
の表面の近傍に生成される等価光源の位置を正確に特定
できるようにし、さらには拡散伝搬光の光路分布が光入
射側と光検出側で対称となるようにして、種々の散乱吸
収体の内部情報を高精度で計測できるようにするもので
ある。According to the invention of the present application, light having various incident angle components is made incident on the surface of a scattering medium,
Equivalently generate a point light source or a group of point light sources near the surface of the scattering medium, and measure the internal information of the scattering medium using the light emitted from this equivalent light source. Make the conditions constant and enable the position of the equivalent light source generated near the surface of the scattering medium to be specified accurately.Furthermore, the optical path distribution of diffuse propagation light should be symmetrical between the light incident side and the light detection side. The internal information of various scattering absorbers can be measured with high accuracy.
【００２８】すなわち、本願の発明の散乱吸収体計測方
法は、（ａ）散乱吸収体の表面の極近傍に等価的に点光
源あるいは点光源の集まりが生成されるように、種々の
入射角度成分をもつ所定波長の光を散乱吸収体に入射
し、（ｂ）散乱吸収体内部を拡散伝搬した所定波長の光
を光入射位置と異なる位置で検出して光検出信号を取得
し、（ｃ）等価的に生成された点光源あるいは点光源の
集まりから出た光に対して直ちに光拡散が始まると見做
して、光検出信号を演算して拡散伝搬経路における散乱
特性及び吸収特性に関係する第１次情報である所定のパ
ラメータを検出し、（ｄ）拡散伝搬経路における所定波
長の光に対する散乱特性及び吸収特性と所定のパラメー
タとの関係に基づいて、所定のパラメータを演算処理し
て第２次情報である散乱吸収体の内部情報を算出する、
ことを特徴とする（医療行為を除く）。That is, in the scattering absorber measuring method of the present invention, (a) various incident angle components are generated so that a point light source or a group of point light sources are equivalently generated in the immediate vicinity of the surface of the scattering medium. (B) light having a predetermined wavelength having a predetermined wavelength is incident on the scattering medium, and (b) light having a predetermined wavelength diffused and propagated inside the scattering medium is detected at a position different from the light incident position to obtain a light detection signal. It is considered that light diffusion immediately starts for light emitted from an equivalently generated point light source or a collection of point light sources, and the light detection signal is calculated to relate to the scattering characteristic and the absorption characteristic in the diffusion propagation path. A predetermined parameter, which is the primary information, is detected, and (d) a predetermined parameter is calculated based on the relationship between the predetermined parameter and the scattering characteristic and absorption characteristic for light of a predetermined wavelength in the diffusion propagation path. It is secondary information Calculating internal information of the turbulent absorber,
Characterized by (excluding medical treatment).
【００２９】ここで、所定波長の光は、散乱吸収体内
部の特定成分に対して吸収係数が異なる複数の波長の光
であり、光検出信号は、それぞれの所定波長の光に対
して取得した複数の信号であり、第１次情報である所
定のパラメータは、それぞれの光検出信号を演算して検
出した複数のパラメータであり、関係は拡散伝搬経路
におけるそれぞれの所定波長の光に対する散乱特性及び
吸収特性とそれぞれの所定のパラメータとの連立関係で
ある、ことを特徴としてもよい。Here, the light having a predetermined wavelength is light having a plurality of wavelengths having different absorption coefficients with respect to the specific component inside the scattering medium, and the light detection signal is obtained for each light having a predetermined wavelength. The predetermined parameters, which are a plurality of signals and are the primary information, are a plurality of parameters detected by calculating the respective light detection signals, and the relationship is the scattering characteristic for the light of each predetermined wavelength in the diffusion propagation path and It may be characterized in that there is a simultaneous relationship between the absorption characteristics and the respective predetermined parameters.
【００３０】また、上記において、光検出信号は、複
数の異なる光入射位置−光検出位置間距離に対応する散
乱吸収体内部の拡散伝搬経路を拡散伝搬した所定波長の
光を検出して取得した複数の信号であり、第１次情報
である所定のパラメータは、それぞれの光検出信号を演
算して検出した複数のパラメータであり、関係は、そ
れぞれの拡散伝搬経路における所定波長の光に対する散
乱特性及び吸収特性とそれぞれの所定のパラメータとの
連立関係である、ことを特徴としてもよい。Further, in the above, the light detection signal is obtained by detecting light of a predetermined wavelength diffused and propagated through the diffusion propagation path inside the scattering medium corresponding to a plurality of different light incident position-light detection position distances. The predetermined parameters, which are a plurality of signals and are the primary information, are a plurality of parameters detected by calculating the respective photodetection signals, and the relationship is the scattering characteristic for the light of the predetermined wavelength in each diffusion propagation path. And the absorption characteristics and their respective predetermined parameters are in a simultaneous relationship.
【００３１】さらに、所定波長の光は変調光とすること
が可能である。また、所定波長の光は、所定変調周波
数成分をもつ変調光であり、第１次情報である所定の
パラメータは、光検出信号を演算して検出した所定変調
周波数成分の信号の位相遅れである、ことを特徴として
もよいし、所定波長の光は、複数の異なる所定変調周
波数成分をもつ変調光であり、光検出信号は、それぞ
れの所定変調周波数成分の変調光に対して取得した複数
の信号であり、第１次情報である所定のパラメータ
は、それぞれの光検出信号を演算して検出した複数の所
定変調周波数成分の信号の位相遅れであり、関係は、
拡散伝搬経路における所定波長のそれぞれの所定変調周
波数成分の変調光に対する散乱特性及び吸収特性とそれ
ぞれの位相遅れとの連立関係である、ことを特徴として
もよい。Further, the light having a predetermined wavelength can be modulated light. Further, the light of the predetermined wavelength is the modulated light having the predetermined modulation frequency component, and the predetermined parameter which is the primary information is the phase delay of the signal of the predetermined modulation frequency component detected by calculating the light detection signal. The light having the predetermined wavelength is the modulated light having a plurality of different predetermined modulation frequency components, and the light detection signal includes a plurality of light signals acquired for the modulated light having the respective predetermined modulation frequency components. The predetermined parameter, which is a signal and is the primary information, is the phase delay of the signals of the plurality of predetermined modulation frequency components detected by calculating the respective photodetection signals, and the relationship is
It may be characterized in that there is a simultaneous relationship between the scattering characteristic and the absorption characteristic for the modulated light of the respective predetermined modulation frequency components of the predetermined wavelength in the diffusion propagation path and the respective phase delays.
【００３２】また、第１次情報である所定のパラメータ
は、光量、光入射に対する光検出信号の遅延時間、
光検出信号の時間波形の微分係数、または光検出信
号に含まれる変調光と同一の周波数成分の信号の振幅、
を採用することができる。また、所定波長の変調光
は、複数の異なる所定変調周波数成分をもつ変調光であ
り、光検出信号は、それぞれの所定変調周波数の変調
光に対して取得した複数の信号であり、第１次情報で
ある所定のパラメータは、光検出信号を演算して検出し
たそれぞれの所定変調周波数成分の信号の振幅であり、
関係は、拡散伝搬経路における所定波長のそれぞれの
所定変調周波数成分の変調光に対する散乱特性及び吸収
特性とそれぞれの振幅との連立関係である、ことを特徴
としてもよい。The predetermined parameter, which is the primary information, is the light quantity, the delay time of the light detection signal with respect to the light incidence,
The derivative of the time waveform of the light detection signal, or the amplitude of the signal of the same frequency component as the modulated light included in the light detection signal,
Can be adopted. Further, the modulated light having the predetermined wavelength is modulated light having a plurality of different predetermined modulation frequency components, and the photodetection signal is a plurality of signals acquired for the modulated light having the respective predetermined modulation frequencies. The predetermined parameter that is information is the amplitude of the signal of each predetermined modulation frequency component that is detected by calculating the light detection signal,
The relationship may be characterized by a simultaneous relationship between the scattering characteristics and the absorption characteristics for the modulated light of the respective predetermined modulation frequency components of the predetermined wavelength in the diffusion propagation path and the respective amplitudes.
【００３３】本願の発明の散乱吸収体計測装置は、
（ａ）所定波長の光を発生する光源と、（ｂ）散乱吸収
体の表面の極近傍に等価的に点光源あるいは点光源の集
まりが生成されるように、種々の方向の入射角度成分を
もつようにして所定波長の光を散乱吸収体に入射する光
入射手段と、（ｃ）散乱吸収体の内部を拡散伝搬した所
定波長の光を光入射位置と異なる位置で検出して光検出
信号を取得する光検出手段と、（ｄ）等価的に生成され
た点光源あるいは点光源の集まりから出た光に対して直
ちに光拡散が始まると見做して、光検出信号を演算して
拡散伝搬経路における散乱特性及び吸収特性に関係する
第１次情報である所定のパラメータを検出するパラメー
タ演算手段と、（ｅ）拡散伝搬経路における所定波長の
光に対する散乱特性及び吸収特性と所定のパラメータと
の関係に基づいて、所定のパラメータを演算処理して第
２次情報である散乱吸収体の内部情報を算出する内部情
報演算処理手段と、を備えることを特徴とする。The scattering absorber measuring apparatus of the present invention is
Incident angle components in various directions are generated so that (a) a light source that emits light of a predetermined wavelength and (b) a point light source or a group of point light sources are equivalently generated in the immediate vicinity of the surface of the scattering medium. A light incident means for injecting light of a predetermined wavelength into the scattering medium in such a manner, and (c) a light detection signal for detecting light of a predetermined wavelength diffused and propagated inside the scattering medium at a position different from the light incident position. And (d) it is considered that light diffusion immediately starts with respect to the light emitted from the point light source or the group of point light sources that are equivalently generated, and the light detection signal is calculated and diffused. Parameter calculation means for detecting a predetermined parameter which is primary information related to the scattering characteristic and the absorption characteristic in the propagation path, and (e) the scattering characteristic and the absorption characteristic for light of a predetermined wavelength in the diffusion propagation path and the predetermined parameter. Based on the relationship of Characterized in that it comprises a an internal information arithmetic processing means for calculating internal information of the secondary information in a scattering medium by arithmetic processing a predetermined parameter.
【００３４】ここで、光源は、散乱吸収体内部の特定
成分に対して吸収係数が異なる複数の所定波長の光を発
生し、光検出手段は、それぞれの所定波長の光に対す
る光検出信号を取得し、パラメータ演算手段は、それ
ぞれの光検出信号を演算して、第１次情報である複数の
所定のパラメータを検出し、内部情報演算処理手段
は、拡散伝搬経路におけるそれぞれの所定波長の光に対
する散乱特性及び吸収特性とそれぞれの所定のパラメー
タとの連立関係に基づいて、所定のパラメータを演算処
理して第２次情報である散乱吸収体の内部情報を算出す
る、ことを特徴としてもよい。Here, the light source generates light of a plurality of predetermined wavelengths having different absorption coefficients with respect to the specific component inside the scattering medium, and the light detecting means obtains a light detection signal for each light of the predetermined wavelength. Then, the parameter calculation means calculates each light detection signal to detect a plurality of predetermined parameters that are the primary information, and the internal information calculation processing means, the internal information calculation processing means, with respect to the light of each predetermined wavelength in the diffusion propagation path. The internal information of the scattering medium, which is the secondary information, may be calculated by calculating the predetermined parameter based on the simultaneous relationship between the scattering characteristic and the absorption characteristic and the respective predetermined parameters.
【００３５】さらに、光入射手段と光検出手段は、複
数個あり、かつ、複数の異なる光入射位置−光検出位置
間距離に対応するように配置され、光検出手段はそれ
ぞれの光入射位置−光検出位置間距離に対応する散乱吸
収体内部の拡散伝搬経路を拡散伝搬する所定波長の光を
検出して複数の光検出信号を取得し、パラメータ演算
手段はそれぞれの光検出信号を演算して、第１次情報で
ある複数の所定のパラメータを検出し、内部情報演算
処理手段はそれぞれの拡散伝搬経路における所定波長の
光の散乱特性及び吸収特性とそれぞれの所定のパラメー
タとの連立関係に基づいて、所定のパラメータを演算処
理して第２次情報である散乱吸収体の内部情報を演算処
理する、ことを特徴としてもよい。Further, there are a plurality of light incidence means and light detection means, and they are arranged so as to correspond to a plurality of different light incidence positions-light detection position distances, and the light detection means has respective light incidence positions. A plurality of light detection signals are obtained by detecting light of a predetermined wavelength that diffuses and propagates in the diffusion propagation path inside the scattering medium corresponding to the distance between the light detection positions, and the parameter calculation means calculates each light detection signal. , A plurality of predetermined parameters which are the primary information are detected, and the internal information calculation processing means is based on the simultaneous relationship between the scattering characteristic and the absorption characteristic of the light of the predetermined wavelength in the respective diffusion propagation paths and the respective predetermined parameters. Then, the predetermined parameter may be calculated to process the internal information of the scattering medium, which is the secondary information.
【００３６】また、光源は所定波長の変調光を発生する
光源をとすることが可能である。このとき、光源は所
定波長の所定変調周波数成分をもつ変調光を発生し、
光検出手段は所定波長の所定周波数成分の光を検出して
光検出信号を取得し、パラメータ演算手段は所定周波
数成分に対する光検出信号を演算して、第１次情報であ
る所定変調周波数成分の信号の位相遅れを検出する、こ
とを特徴とするしてもよい。また、光源は所定波長の
複数の異なる所定変調周波数成分をもつ変調光を発生
し、光検出手段は所定波長のそれぞれの所定変調周波
数成分の光を検出して複数の光検出信号を取得し、パ
ラメータ演算手段はそれぞれの光検出信号を演算して、
第１次情報であるそれぞれの所定変調周波数成分の信号
の位相遅れを検出し、内部演算手段は拡散伝搬経路に
おける所定波長のそれぞれの所定変調周波数成分の変調
光に対する散乱特性及び吸収特性とそれぞれの位相遅れ
との連立関係に基づいて、位相遅れを演算処理して第２
次情報である散乱吸収体の内部情報を算出する、ことを
特徴としてもよい。Further, the light source can be a light source which generates a modulated light of a predetermined wavelength. At this time, the light source generates modulated light having a predetermined modulation frequency component of a predetermined wavelength,
The light detection means detects light of a predetermined frequency component of a predetermined wavelength to obtain a light detection signal, and the parameter calculation means calculates a light detection signal for the predetermined frequency component to obtain the predetermined modulation frequency component of the primary information. It may be characterized in that the phase delay of the signal is detected. Further, the light source generates modulated light having a plurality of different predetermined modulation frequency components of a predetermined wavelength, and the light detection means detects light of each predetermined modulation frequency component of a predetermined wavelength to obtain a plurality of light detection signals, The parameter calculation means calculates each light detection signal,
The internal operation means detects the phase delay of the signal of each predetermined modulation frequency component which is the primary information, and the internal calculation means calculates the scattering characteristic and the absorption characteristic for the modulated light of each predetermined modulation frequency component of the predetermined wavelength in the diffusion propagation path. The phase delay is calculated based on the simultaneous relationship with the phase delay and the second
The internal information of the scattering medium, which is the next information, may be calculated.
【００３７】[0037]
【作用】本願の発明によれば、散乱吸収体の表面に種々
の入射角度成分をもつ所定の波長の光を入射させて、散
乱吸収体表面の極近傍に等価的に点光源あるいは点光源
の集まりを生成させる。この等価光源は等方性の光を発
生するもので、この等価光源から出た光に対して直ちに
光拡散が始まると見做して、光検出信号を演算して第１
次情報である所定のパラメータを検出し、さらにこのパ
ラメータの値を演算処理して第２次情報である散乱吸収
体の内部情報を高精度で計測することが可能になる。こ
の場合、所定のパラメータは光子流（光検出信号に相当
する）、光子流の時間変化（微分値）、光子流の時間積
分値、平均光路長、光検出信号に含まれる特定周波数成
分の信号の振幅や位相遅れなどであり、内部情報は散乱
吸収体の吸収係数や輸送散乱係数の絶対値、特定吸収成
分や特定散乱成分の絶対量、ヘモグロビンの酸素飽和度
の絶対値、及びこれらの時間的変化や空間分布、断層像
などである。また、第２次情報を得るための前記演算処
理は、所定のパラメータの値と、所定波長の光が散乱吸
収体の内部を拡散伝搬するときの拡散伝搬経路における
散乱特性及び吸収特性との関係に基づいて、所定のパラ
メータの値から散乱吸収体の内部情報を演算するもので
ある。このとき、複数の所定の波長の光を利用すること
もでき、この場合には、複数の所定波長の光に対するそ
れぞれの前記関係の連立関係を利用する。According to the invention of the present application, light having a predetermined wavelength having various incident angle components is made incident on the surface of the scattering medium, and the point light source or the point light source of the point light source is equivalently provided in the vicinity of the surface of the scattering medium. Create a gathering. This equivalent light source generates isotropic light, and it is considered that light diffusion immediately starts with respect to the light emitted from this equivalent light source, and the light detection signal is calculated to calculate the first light.
It becomes possible to detect a predetermined parameter which is the next information and further calculate the value of this parameter to measure the internal information of the scattering medium which is the secondary information with high accuracy. In this case, the predetermined parameters are the photon flow (corresponding to the photodetection signal), the time change of the photon flow (differential value), the time integration value of the photon flow, the average optical path length, and the signal of the specific frequency component included in the photodetection signal. The internal information is the absolute value of the absorption coefficient or transport scattering coefficient of the scattering medium, the absolute amount of the specific absorption component or the specific scattering component, the absolute value of the oxygen saturation level of hemoglobin, and these times. Change, spatial distribution, tomographic image, etc. Further, in the arithmetic processing for obtaining the secondary information, the relationship between the value of the predetermined parameter and the scattering characteristic and the absorption characteristic in the diffusion propagation path when the light of the predetermined wavelength diffuses and propagates inside the scattering medium. Based on the above, the internal information of the scattering medium is calculated from the values of the predetermined parameters. At this time, it is also possible to use a plurality of lights having a predetermined wavelength, and in this case, the simultaneous relationship of the respective relations with respect to the lights having a plurality of predetermined wavelengths is used.
【００３８】上記のようにして発生させた拡散伝搬光を
用いて散乱吸収体の内部情報を計測する本願の発明で
は、前記第２次情報を得るための演算処理に用いる関
係、つまり所定のパラメータの値と所定波長の光が散乱
吸収体の内部を拡散伝搬するときの拡散伝搬経路におけ
る散乱特性及び吸収特性との関係において、従来技術の
大きな問題つまり計測精度を大きく制限する原因となる
近似や仮定などによる誤差を大幅に減少させることがで
きるとともに、種類の異なる散乱吸収体に対する光入射
条件を一定にすることができ、かつ散乱吸収体の表面近
傍に生成される前記等価光源の位置を正確に特定するこ
とができ、さらには光入射側と光出力側で拡散伝搬光の
光路分布を対称にすることができるなどの利点が生じる
ため、第２次情報である散乱吸収体の内部情報に対する
計測精度が大幅に改善され、散乱吸収体の内部情報を絶
対値で計測すること、あるいはこれらの計測の精度を高
めること、さらにはこれらの時間変化や空間分布を高精
度で計測することが可能になる。In the invention of the present application in which the internal information of the scattering medium is measured using the diffuse propagation light generated as described above, the relationship used in the arithmetic processing for obtaining the secondary information, that is, a predetermined parameter And the relationship between the scattering characteristic and the absorption characteristic in the diffusion propagation path when light of a predetermined wavelength diffuses and propagates inside the scattering medium, a major problem of the conventional technique, that is, approximation that causes the measurement accuracy to be greatly limited. It is possible to significantly reduce errors due to assumptions, etc., it is possible to make the light incident conditions on different types of scattering absorbers constant, and to accurately determine the position of the equivalent light source generated near the surface of the scattering medium. The secondary information can be specified, and there is an advantage that the optical path distribution of the diffuse propagation light can be made symmetrical on the light incident side and the light output side. The accuracy of measurement of the internal information of the scattering medium has been greatly improved, and the internal information of the scattering medium can be measured in absolute values, or the accuracy of these measurements can be improved. It becomes possible to measure with accuracy.
【００３９】[0039]
【実施例】本願の発明の実施例の説明に先立ち、本願の
発明の原理について説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Prior to the description of the embodiments of the present invention, the principle of the present invention will be described.
【００４０】［本願の発明の原理］
１． 種々の入射角度成分をもつ光の散乱吸収体への入
射
本願の発明の特徴の一つは、種々の入射角度成分をもつ
光を散乱吸収体へ入射することである。以下では、まず
この効果などについて説明する。[Principle of the Present Invention] 1. Incident of Light Having Various Incident Angle Components on the Scattering Absorber One of the features of the invention of the present application is that light having various incident angle components is incident on the scattering absorber. Below, this effect etc. are demonstrated first.
【００４１】散乱吸収体の内部を拡散伝搬する個々の光
子の振る舞いは、コンピュータを利用したモンテカルロ
シミュレーション（Monte Carlo Calculation)によって
解析、実験、検討することができる。このモンテカルロ
シミュレーションの結果は、物理模型や生体試料などを
用いたときの実験結果とよく一致することが知られてい
る。そこで本願の発明者らは、モンテカルロシミュレー
ションによって、種々の入射角度成分をもつ光を散乱吸
収体に入射したときの光の振る舞いを実験・検討・解析
した。The behavior of individual photons diffused and propagating inside the scattering medium can be analyzed, experimented, and examined by Monte Carlo simulation using a computer. It is known that the result of this Monte Carlo simulation agrees well with the experimental result when a physical model or a biological sample is used. Therefore, the inventors of the present application have conducted an experiment, examination, and analysis of the behavior of light when light having various incident angle components is incident on the scattering medium by Monte Carlo simulation.
【００４２】図１および図２は反射型計測の場合のシミ
ュレーション結果で、散乱吸収体の表面にコリメート光
を垂直に入射したとき（図１参照）と、全ての入射角度
成分をもつ光、つまり等方性の光を入射したとき（図２
参照）の結果が対比して示されている。これらの図１お
よび図２では、散乱吸収体内部の各位置に対して、検出
された光子がそこを通過した頻度が表示されている。な
お、この頻度は光入射点の頻度で正規化してある。した
がって、この図１または図２から、検出された光子がど
の位置をどの程度の頻度で通過したかがわかる。なお、
図１および図２中で、■印、×印、／印、□印となるに
したがって、それぞれ頻度が１／１０倍に減少する。FIGS. 1 and 2 show the results of simulation in the case of reflection type measurement. When collimated light is vertically incident on the surface of the scattering medium (see FIG. 1), light having all incident angle components, that is, When incident isotropic light (Fig. 2
Results are shown in contrast. In these FIGS. 1 and 2, for each position inside the scattering medium, the frequency with which the detected photons pass therethrough is displayed. This frequency is normalized by the frequency of the light incident point. Therefore, it can be seen from FIG. 1 or FIG. 2 which position and how often the detected photon passes. In addition,
In FIGS. 1 and 2, the frequency decreases 1/10 times as marked with ■, ×, /, and □.
【００４３】図１では、入射光が２〜３mm程度直進（■
印部）した後、光拡散が始まっている。これは、前述し
たｚ0 ′の効果である。この結果、図１では、頻度分布
つまり拡散伝搬光の光路分布が光入射側と光検出側で非
対称となり、光入射側の光路分布が紙面の下向きに伸び
ている。これに対して図２では、光入射直後から光拡散
が始まり、光入射側と光検出側の光路分布がほぼ対称に
なっている。In FIG. 1, the incident light travels straight about 2 to 3 mm (
After that, light diffusion has started. This is the effect of z 0 'described above. As a result, in FIG. 1, the frequency distribution, that is, the optical path distribution of diffuse propagation light is asymmetric between the light incident side and the light detecting side, and the optical path distribution on the light incident side extends downward in the plane of the drawing. On the other hand, in FIG. 2, light diffusion starts immediately after the light is incident, and the optical path distributions on the light incident side and the light detecting side are substantially symmetrical.
【００４４】このモンテカルロシミュレーションに用い
た条件は、点状の光入射、光入射位置−光検出位置間距
離（単に光検出距離とも呼ばれる）は１０mm、光検出器
の直径は２mm、また散乱吸収体の輸送散乱係数は０．４
５mm-1、吸収係数は０．０１mm-1である。所定の面積を
もつ領域に複数個の前記点状の光入射を行い、光入射部
の径と光検出器の径が等しくなるようにすれば、前記光
路分布の対称性はさらによくなる。The conditions used for this Monte Carlo simulation are: point-shaped light incidence, light incident position-light detection position distance (also simply referred to as light detection distance) 10 mm, photodetector diameter 2 mm, scattering absorber Has a transport scattering coefficient of 0.4
The absorption coefficient is 5 mm -1 , and the absorption coefficient is 0.01 mm -1 . The symmetry of the optical path distribution is further improved by making a plurality of the spot-like light beams incident on a region having a predetermined area so that the diameter of the light incident portion and the diameter of the photodetector become equal.
【００４５】図３および図４は透過型計測のシミュレー
ション結果であり、散乱吸収体の表面にコリメート光を
垂直に入射したとき（図３参照）と、等方性の光を点状
に入射したとき（図４参照）の結果が対比して示されて
いる。図３および図４の表示の意味は、前記の図１およ
び図２と同じである。図３では、前記ｚ0 ′の効果がよ
く現れている。また図４では、前記反射型計測の例と同
様に、光入射側と光検出側の光路分布がほぼ対称になっ
ている。FIGS. 3 and 4 are simulation results of transmission type measurement. When the collimated light is vertically incident on the surface of the scattering medium (see FIG. 3), isotropic light is incident in a point shape. The results at the time (see FIG. 4) are shown for comparison. The meanings of the displays in FIGS. 3 and 4 are the same as those in FIGS. 1 and 2 described above. In FIG. 3, the effect of z 0 ′ is well shown. Further, in FIG. 4, the optical path distributions on the light incident side and the light detection side are substantially symmetrical, as in the case of the reflection type measurement.
【００４６】モンテカルロシミュレーションに用いた条
件は、点状の光入射、光入射位置−光検出位置間距離つ
まり散乱吸収体の厚さは２０mm、光検出器の直径は２m
m、また散乱吸収体の輸送散乱係数は０．４５mm-1、吸
収係数は０．０１mm-1である。この場合にも前記反射型
計測の例と同様に、光入射部の径と光検出器の径が等し
くなるようにすれば、前記光路分布の対称性はさらによ
くなる。The conditions used for the Monte Carlo simulation are: point-shaped light incidence, the distance between the light incidence position and the light detection position, that is, the thickness of the scattering medium is 20 mm, and the diameter of the photodetector is 2 m.
m, the transport scattering coefficient of the scattering medium is 0.45 mm -1 , and the absorption coefficient is 0.01 mm -1 . Also in this case, as in the case of the reflection type measurement, if the diameter of the light incident portion and the diameter of the photodetector are made equal, the symmetry of the optical path distribution is further improved.
【００４７】以上から、本願の発明に利用される次の新
しい重要な知見が得られる。つまり、散乱吸収体に種々
の入射角度成分をもつ光を入射したときは、等価的に点
光源または点光源の集まりが散乱吸収体表面の極近傍に
生成され、この等価光源の位置から光の拡散伝搬が始ま
ると見做してよい。また、散乱係数の異なる散乱吸収体
でも、等価光源はその表面の極近傍に生成されるから、
種類の異なる散乱吸収体の場合でも拡散伝搬が始まる位
置が同一、つまり光入射条件が同一になる。したがっ
て、従来技術の問題点の一つである光入射直後の直進光
の取扱が簡単になり、直進距離に対する近似や仮定を導
入する必要がないため、散乱吸収体の内部情報計測の計
測精度を大幅に向上させることが可能になる。From the above, the following new important findings utilized in the present invention can be obtained. That is, when light having various incident angle components is incident on the scattering medium, a point light source or a group of point light sources is equivalently generated in the immediate vicinity of the surface of the scattering medium, and the light from the position of the equivalent light source is generated. It can be considered that diffusion propagation starts. In addition, even with scattering absorbers with different scattering coefficients, the equivalent light source is generated in the immediate vicinity of the surface,
Even in the case of different types of scattering absorbers, the positions where diffusion diffusion starts are the same, that is, the light incident conditions are the same. Therefore, it is easy to handle straight-ahead light immediately after light incidence, which is one of the problems of the conventional technology, and it is not necessary to introduce approximations or assumptions for the straight-ahead distance. It is possible to greatly improve.
【００４８】さらに、光入射側と光検出側で前記頻度分
布、つまり光路分布が対称になるということは、拡散伝
搬光に対していわゆる相反定理（reciprocity theorem,
可逆定理とも呼ばれる）が成立することを意味してい
る。この場合、光入射点と光検出点を入れ換えても、光
路分布が不変であることを意味する。したがって、この
ような対称性を利用することによって、散乱吸収体の内
部情報計測の計測精度を大きく改善することができる。
また上記の知見は、特定吸収成分の位置などを計測する
場合、さらには散乱吸収体の内部の断層像を再構成する
場合などにおいて、特に大きな効果があることが明らか
である。Furthermore, the fact that the frequency distribution, that is, the optical path distribution, is symmetric on the light incident side and the light detecting side means that the so-called reciprocity theorem for diffuse propagating light.
It is also known as the reversible theorem). In this case, it means that the optical path distribution does not change even if the light incident point and the light detection point are exchanged. Therefore, by utilizing such symmetry, the measurement accuracy of internal information measurement of the scattering medium can be greatly improved.
Further, it is clear that the above findings have a particularly great effect when measuring the position of the specific absorption component and when reconstructing a tomographic image inside the scattering medium.
【００４９】なお、上記では全ての入射角度成分をもつ
光を散乱吸収体に入射する場合について述べたが、実際
の入射光は散乱吸収体、つまり半空間に対して全ての入
射角度成分をもてばよい。また、入射角度分布が制限さ
れる場合について検討すると、入射角度が０°から約３
０°以上の範囲にほぼ均一に分布するとき、上記のこと
がほぼ成立する。したがって、実際の装置で簡便な光学
系を使用する場合には、上記のような入射角度分布につ
いて注意する必要がある。Although the case where light having all the incident angle components is incident on the scattering medium is described above, the actual incident light also has all the incident angle components with respect to the scattering medium, that is, the half space. I'm good. Also, considering the case where the incident angle distribution is limited, the incident angle is from 0 ° to about 3 °.
The above is almost true when the distribution is almost uniform in the range of 0 ° or more. Therefore, when using a simple optical system in an actual device, it is necessary to pay attention to the incident angle distribution as described above.
【００５０】２． 新しい数学的モデルの導入
本願の発明者らは、前記光入射条件、つまり種々の入射
角度成分をもつ光を散乱吸収体に入射したときの光の振
る舞いを理論的及び実験的に検討し、境界条件を含めた
新しいモデルを開発し、次のような知見を得た。つま
り、上記のモデルに光拡散理論を適用して導かれる結
果、モンテカルロシミュレーションの結果、および実際
の実験結果との間には、それぞれよい一致が得られると
いう知見である。但し、光拡散理論を利用する場合に
は、境界条件の設定方法、及び光子流動率φから種々の
パラメータの関係を導出する際の近似方法を十分に考慮
する必要がある。つまり、境界条件を適用して光拡散方
程式を解くときに、計測の最終目的である散乱吸収体の
内部情報の値に対する誤差を慎重に見積もって、この誤
差が無視できるような近似を選択して適用する必要があ
る。2. Introduction of new mathematical model The inventors of the present application theoretically and experimentally study the above-mentioned light incident conditions, that is, the behavior of light when light having various incident angle components is incident on the scattering medium, and We developed a new model including conditions and obtained the following findings. That is, it is a finding that good agreement is obtained between the results derived by applying the light diffusion theory to the above model, the results of Monte Carlo simulation, and the actual experimental results. However, when using the light diffusion theory, it is necessary to sufficiently consider the boundary condition setting method and the approximation method for deriving the relationship of various parameters from the photon flow rate φ. In other words, when applying the boundary conditions to solve the light diffusion equation, carefully estimate the error with respect to the internal information value of the scattering medium, which is the final objective of measurement, and select an approximation that can ignore this error. Need to apply.
【００５１】以下では、光拡散方程式と散乱吸収体の光
学定数との関係、及び本願の発明者らによって開発され
た数学的モデルと境界条件との関係を述べる。The relation between the light diffusion equation and the optical constant of the scattering medium, and the relation between the mathematical model developed by the inventors of the present application and the boundary condition will be described below.
【００５２】（１）光拡散方程式と散乱吸収体の光学定
数との関係
まず最初に、光拡散方程式、及び散乱吸収体に関する種
々の光学定数などについて述べる。これらの定義や記号
は、後の詳細な説明でしばしば使用される。(1) Relation between the light diffusion equation and the optical constants of the scattering medium First, the light diffusion equation and various optical constants relating to the scattering medium will be described. These definitions and symbols are often used in the detailed description below.
【００５３】散乱吸収体内部の光の振る舞いを記述する
光拡散方程式は、光子輸送理論の拡散近似から導かれ、
光子流動率（fluence rate) φを用いて、例えば次のよ
うに記述される。The light diffusion equation that describes the behavior of light inside the scattering medium is derived from the diffusion approximation of the photon transport theory.
The photon fluence rate φ is used to describe, for example, as follows.
【００５４】[0054]
【数１】 [Equation 1]
【００５５】ここで、
φ(r,t) ：位置 r、時刻 t における光子流動率(fluen
ce rate)〔光子／mm2・sec 〕
但し、r はベクトルである。Where φ (r, t): photon fluence (fluen at position r, time t
ce rate) [photon / mm 2 · sec] where r is a vector.
【００５６】Ｄ：光拡散係数（diffusion coefficient)
〔mm〕
μa ：吸収係数 (absorption coefficient) 〔mm-1〕
ｃ：散乱吸収体内部の光速度〔mm/sec〕（散乱吸収体の
屈折率によって定まる）
Ｓ(r,t) ：光源〔光子／mm3 ・sec 〕
である。D: Diffusion coefficient
[Mm] μ a : Absorption coefficient [mm -1 ] c: Light velocity inside the scattering medium [mm / sec] (determined by the refractive index of the scattering medium) S (r, t): Light source [ Photon / mm 3 · sec].
【００５７】インパルス光源はデルタ関数で表されるか
ら、原点(r=0) にt=0 のとき入射する光インパルスは、
次のように表される。Since the impulse light source is represented by the delta function, the optical impulse incident on the origin (r = 0) at t = 0 is
It is expressed as follows.
【００５８】
Ｓ(r,t) ＝δ(r,t) ＝δ(0,0) ＝δ(0) δ(0) …（１．２）
したがって、インパルス光入射に対する光拡散方程式は
次のようになる。S (r, t) = δ (r, t) = δ (0,0) = δ (0) δ (0) (1.2) Therefore, the light diffusion equation for the incidence of impulse light is Like
【００５９】[0059]
【数２】 [Equation 2]
【００６０】ここで、δ(0,0) は、原点(r=0) にt=0 の
とき入射する光インパルスである。詳細は省略するが、
公式を用いてこの光拡散方程式の解を求めることができ
る。Here, δ (0,0) is an optical impulse incident on the origin (r = 0) when t = 0. Details are omitted,
The formula can be used to solve this light diffusion equation.
【００６１】散乱吸収体に関するその他の種々の光学定
数は、
μS ：散乱係数 (scattering coefficient) 〔mm-1〕
μS ′：輸送散乱係数 (transport scattering coeffic
ient) 〔mm-1〕
μtr ：輸送減衰係数 (transport attenuation coeffi
cient)〔mm-1〕
μeff ：有効減衰係数 (effective attenuation coeffi
cient)〔mm-1〕
ｇ ：散乱角θに対するｃｏｓθの平均値 (mean cos
ine of thescattering angle)
ω ：散乱吸収体に入射する変調光の変調角周波数
としたとき、
Ｄ＝〔３ (μa ＋μS ′）〕-1＝（３μtr）-1 …（１．４）
μS ′＝（１−ｇ）μS …（１．５）
μtr＝μa ＋μS ′＝μa ＋（１−ｇ）μS …（１．６）
μeff ＝〔３μa （μa ＋μS ′）〕1/2
＝｛３μa 〔μa ＋（１−ｇ）μS 〕｝1/2 …（１．７）
なる関係にある。Other various optical constants relating to the scattering medium are μ S : scattering coefficient [mm −1 ] μ S ′: transport scattering coeffic
ient) 〔mm −1 〕 μ tr ： transport attenuation coeffi
cient) (mm -1 ) μ eff : effective attenuation coeffi
cient) [mm −1 ] g: mean cos θ with respect to the scattering angle θ
ine of thescattering angle) ω: D = [3 (μ a + μ S ′)] −1 = (3 μ tr ) −1 (1.4) when the modulation angular frequency of the modulated light incident on the scattering medium μ S ′ = (1-g) μ S (1.5) μ tr = μ a + μ S ′ = μ a + (1-g) μ S (1.6) μ eff = [3 μ a (μ a + μ S ′)] 1/2 = {3 μ a [μ a + (1-g) μ S ]} 1/2 (1.7).
【００６２】また、前記の光子流動率φから導出される
パラメータとして、
Ｊ：光子流または光子流密度（photon current densit
y) 〔光子／mm2 ・sec 〕
＜Ｌ＞：平均光路長（average optical pathlength) ＝
ｃ＜ｔ＞ 〔mm〕
但し、＜ｔ＞は光子流の時間波形の平均遅れ時間あるい
は平均飛行時間
ｄＪ／ｄｔ：光子流の時間微分
Ｉ：光子流の時間積分値〔光子／mm2 〕
Ｆ（ω）：光子流Ｊのフーリエスペクトル
Φ：Ｆ（ω）の位相遅れ（phase delay)〔radian〕
などがあり、後の詳細説明でしばしば使用される。な
お、光子流密度Ｊの時間波形は、光子の飛行時間の分布
（time of flight）を表す。また、実際の計測で定量で
きる量は光検出信号であり、この光検出信号を演算し
て、第１次情報である上記の平均光路長、時間積分値、
傾き（微分値）あるいは特定周波数成分の信号の振幅や
位相遅れなどを導出する。なお、本願の発明では、この
ような第１次情報を所定のパラメータと呼ぶ。Further, as a parameter derived from the photon flow rate φ, J: photon current or photon current density (photon current densit)
y) [photon / mm 2 · sec] <L>: average optical pathlength =
c <t> [mm] where <t> is the average delay time or the average flight time of the time waveform of the photon flow dJ / dt: the time derivative of the photon flow I: the time integrated value of the photon flow [photon / mm 2 ] F (Ω): Fourier spectrum Φ of photon flow J: There is a phase delay (radian) of F (ω), and these are often used in the detailed description below. The time waveform of the photon flow density J represents the distribution of time of flight of photons. The amount that can be quantified by actual measurement is a light detection signal, and this light detection signal is calculated to calculate the average optical path length, the time integration value, which is the primary information,
The slope (differential value) or the amplitude or phase delay of the signal of the specific frequency component is derived. In the invention of the present application, such primary information is called a predetermined parameter.
【００６３】また、光輸送理論では、部分光子流という
概念がある。これは、散乱吸収体内部の単位面積を左か
ら右へ通過する光子流Ｊ+ 、及び右から左へ通過する光
子流Ｊ- で定義され、正味の光子流を表す光子流Ｊは部
分光子流の差、つまり、
Ｊ＝Ｊ+ −Ｊ- …（１．８）
となる。In the light transport theory, there is a concept of partial photon flow. This is defined by a photon flow J + passing through a unit area inside the scattering medium from left to right and a photon flow J − passing through right to left, and the photon flow J representing a net photon flow is a partial photon flow. difference, i.e., J = J + -J - ... a (1.8).
【００６４】ここで、拡散近似を行うと、位置ｒにおけ
る部分光子流は、
Ｊ+ （ｒ）＝ (１／４) φ(r、t)−（Ｄ／２）ｅS ▽φ(r，t)
…（１．９）
Ｊ- （ｒ）＝ (１／４) φ(r，t)＋（Ｄ／２）ｅS ▽φ(r，t)
…（１．１０）
と表される。但し、ｅS は上記単位面積の法線方向の単
位ベクトルである。したがって、拡散近似では、（１．
８）式乃至（１．１０）式が散乱吸収体内部のあらゆる
場所で成立する。Here, when the diffusion approximation is performed, the partial photon flow at the position r is J + (r) = (1/4) φ (r, t) − (D / 2) e S ▽ φ (r, t) ... (1.9) J - expressed as (r) = (1/4) φ (r, t) + (D / 2) e S ▽ φ (r, t) ... (1.10) . However, e S is a unit vector in the normal direction of the above unit area. Therefore, in the diffusion approximation, (1.
Expressions 8) to (1.10) are established everywhere inside the scattering medium.
【００６５】（２）境界条件とモデル
光輸送理論によれば、自由表面（便宜上、ｚ＝ｚS とす
る）の光子流動率φは有限の値φ（ｚS ）≠０となり、
図５に示すように、自由表面からｚ0 だけ離れた位置で
φ＝０となる。以上を考慮して、本願の発明者が開発し
た反射型計測のモデルを図６に、また透過型計測のモデ
ルを図７に示す。これらでは、図中の原点に光を入射す
る。また、図中には、上記のような境界条件を満足させ
るために、自由表面から−２ｚ0 の位置に負極性の点光
源が導入してある。この結果、位置ｚ＝−ｚ0 で光子流
動率φ（−ｚ0 ）＝０となる。なお、図中の●は正極性
の点光源、また○は負極性の点光源を示す。(2) According to the boundary condition and model light transport theory, the photon flux rate φ of the free surface (for convenience, z = z S ) is a finite value φ (z S ) ≠ 0,
As shown in FIG. 5, φ = 0 at a position away from the free surface by z 0 . In consideration of the above, a reflection measurement model developed by the inventor of the present application is shown in FIG. 6, and a transmission measurement model is shown in FIG. In these cases, light is incident on the origin in the figure. Further, in the figure, in order to satisfy the above boundary conditions, a point light source having a negative polarity is introduced at a position −2z 0 from the free surface. As a result, at the position z = −z 0 , the photon flow rate φ (−z 0 ) = 0. In the figure, ● indicates a positive point light source, and ○ indicates a negative point light source.
【００６６】図６及び図７では、散乱吸収体表面の光入
射点に、種々の入射角度成分をもつ光を入射する。ま
た、図７の透過型モデルでは、光入射側と光検出側の両
方で前記の境界条件を満足させるために、無限個の正極
性と負極性の点光源が導入されている。但し実用上は、
有限個の正及び負の点光源によって、十分な精度で近似
することができる。In FIG. 6 and FIG. 7, light having various incident angle components is incident on the light incident point on the surface of the scattering medium. Further, in the transmission type model of FIG. 7, in order to satisfy the above boundary condition on both the light incident side and the light detecting side, an infinite number of positive and negative point light sources are introduced. However, in practice,
A finite number of positive and negative point sources can be approximated with sufficient accuracy.
【００６７】また、上記ｚ0 については、光拡散理論で
は、
ｚ0 ＝２Ｄ …（２．１）
となるが、より厳密な光輸送理論では、
ｚ0 ＝０．７１０４／μtr＝２．１３１２Ｄ …（２．２）
となる。Regarding z 0 , in the light diffusion theory, z 0 = 2D (2.1), but in the more strict light transport theory, z 0 = 0.7104 / μ tr = 2. 1312D ... (2.2).
【００６８】ここで、拡散近似で求められる光子流動率
φは、散乱吸収体内部の光源及び自由表面から十分に離
れた場所では、きわめて高い精度が得られるが、自由表
面近傍では、かなりよい精度ではあるが、原理的に近似
値しか求められないことを考慮すると、上記ｚ0 は前記
（２．１）式および（２．２）式のいずれの関係を用い
ても、大きな差は生じないと考えてよい。したがって以
下では、（２．１）式、つまりｚ0 ＝２Ｄなる関係に基
づいて説明する。Here, the photon flow rate φ obtained by the diffusion approximation is extremely accurate at a place sufficiently distant from the light source inside the scattering medium and the free surface, but is quite accurate near the free surface. However, considering that only an approximate value can be obtained in principle, there is no great difference in the above-mentioned z 0 regardless of the relation of the equations (2.1) and (2.2). You can think of it. Therefore, in the following, description will be made based on the equation (2.1), that is, the relation z 0 = 2D.
【００６９】なお、通常の計測系では、散乱吸収体に空
気中から光を入射し、空気中で光検出する。この場合、
上記ｚ0 は、厳密には空気の屈折率及び散乱吸収体の屈
折率の関数となる（このことは、例えば参考文献6)に述
べられている）。しかし、散乱吸収体の屈折率はほぼ水
に等しいと見做せるので、両者の屈折率を定数と見做す
と、ｚ0 とＤとの関係を示す式は（２．１）式で比例定
数が変化したものとなる。ところが、このような場合で
も、以下に述べることがほぼ同様にして成立することを
証明することができる。さらに、前述のような近似が無
視できないような高い精度が必要な計測では、上記で得
られた光子流動率φに所定の補正を行う必要があり、こ
れについての対策の具体例は後に述べる。In a normal measurement system, light is incident on the scattering medium from the air and the light is detected in the air. in this case,
Strictly speaking, z 0 is a function of the refractive index of air and the refractive index of the scattering medium (this is described in, for example, Reference 6). However, it can be considered that the refractive index of the scattering medium is almost equal to that of water. Therefore, if the refractive index of both is considered as a constant, the equation showing the relationship between z 0 and D is proportional to the equation (2.1). The constant has changed. However, even in such a case, it can be proved that the following can be established in almost the same manner. Furthermore, in the measurement that requires high accuracy such that the above approximation cannot be ignored, it is necessary to perform a predetermined correction on the photon flow rate φ obtained above, and a specific example of a measure for this will be described later.
【００７０】つぎに、光拡散方程式に適用する具体的な
境界条件を求める。この境界条件は、散乱吸収体の表面
つまり自由表面 rS では、外側から流入する光子流Ｊ-
（光子／mm2 ・sec ）が、Ｊ- ＝０となることである。Next, specific boundary conditions applied to the light diffusion equation will be obtained. This boundary condition is that the photon flow J − flowing in from the outside at the surface of the scattering medium, that is, the free surface r S.
(Photon / mm 2 · sec) is J − = 0.
【００７１】この境界条件は、（１．１０）式から、
Ｊ- (rS ) ＝ (１／４) φ(rS ,t) ＋（Ｄ／２）ｅS ・▽φ(rS ,t) ＝０
…（２．３）
となる。但し、ｅS は自由表面の法線方向の単位ベクト
ルである。この式は、１次元問題ではさらに、From the equation (1.10), this boundary condition is J − (r S ) = (1/4) φ (r S , t) + (D / 2) e S · ▽ φ (r S , t) = 0 (2.3). However, e S is a unit vector in the direction normal to the free surface. This equation is
【００７２】[0072]
【数３】 [Equation 3]
【００７３】となる。ここで、（ｄφ／ｄｚ）］ｚ
S は、ｚ＝ｚS つまり自由表面ｚS でのｄφ／ｄｚ（微
分）の値を表す。また、この境界条件に前述したＦｉｃ
ｋの法則を適用すると、前出の（２．１）が導出され
る。It becomes Where (dφ / dz)] z
S represents the value of dφ / dz (differential) at z = z S, that is, at the free surface z S. In addition, Fic described above in this boundary condition
Applying the law of k, the above (2.1) is derived.
【００７４】他方、自由表面ｚS から流出する光子流Ｊ
+ は、上記と同様に（１．９）式から、On the other hand, the photon flow J flowing out from the free surface z S
+ Is the same as above from the equation (1.9),
【００７５】[0075]
【数４】 [Equation 4]
【００７６】である。なお、ここで、Ｊ＝Ｊ+ −Ｊ- で
ある。したがって、自由表面から流出する光子流、つま
り検出される光子流Ｊは、次の２種の方法で記述でき
る。It is Note that, J = J + -J - a. Therefore, the photon flow flowing out from the free surface, that is, the detected photon flow J can be described by the following two methods.
【００７７】[0077]
【数５】 [Equation 5]
【００７８】または、
Ｊφ＝φ（ｚS ,t）／２ …（２．７）
ここで、添字ｇとφは、それぞれ、光子流動率φの勾配
(gradient)と光子流動率φ、つまりＪを導出するのに用
いたパラメータの種類を表す。また、（２．６）式と
（２．７）式とは、本願の発明における光入射位置と光
検出位置との間の距離ρまたはｄに対して、ｚ0 ＝２Ｄ
が十分小さいと見做せるとき、両者が等価であることを
証明することができる。Or Jφ = φ (z S , t) / 2 (2.7) where the subscripts g and φ are the gradients of the photon flux rate φ, respectively.
(gradient) and the photon flux rate φ, that is, the type of parameter used to derive J. Further, the equations (2.6) and (2.7) are expressed by z 0 = 2D with respect to the distance ρ or d between the light incident position and the light detection position in the invention of the present application.
When we consider that is small enough, we can prove that they are equivalent.
【００７９】本願の発明では、上記の２種類の表記法に
よる光子流Ｊg とＪφから導出される２種類の表記法に
よる所定のパラメータ、つまり平均光路長＜Ｌ＞、光子
流の時間微分値、光子流の時間積分値Ｉ、光子流のフー
リエ変換Ｆ（ω）およびその位相遅れΦなど（第１次情
報）を求めて、この第１次情報から演算処理によって第
２次情報である散乱吸収体の内部情報を定量する。な
お、上記で導出される２種類の表記法による所定のパラ
メータは、何れの場合にも、本願の発明における光入射
位置と光検出位置との間の距離ρまたはｄに対して、ｚ
0 ＝２Ｄが十分小さいと見做せるとき、両者が等価であ
ることを証明することができる。In the invention of the present application, the predetermined parameters based on the two types of notation derived from the photon flows J g and Jφ according to the above two types of notations, that is, the average optical path length <L> and the time differential value of the photon flow. , The time integrated value I of the photon flow, the Fourier transform F (ω) of the photon flow and the phase delay Φ thereof (first information), and the secondary information is scattered by the arithmetic processing from the first information. Quantify the internal information of the absorber. In any case, the predetermined parameters derived from the above two types of notations are z with respect to the distance ρ or d between the light incident position and the light detection position in the invention of the present application.
When we consider 0 = 2D to be small enough, we can prove that they are equivalent.
【００８０】３． 光拡散方程式の解とそれから導出さ
れる種々のパラメータ
次に、前記数学的モデルから光拡散方程式の解つまり光
子流動率φを求め、この光子流動率φから種々の所定の
パラメータに関する関係式を導出する。この導出過程で
近似を適用するときは、計測の最終目的である散乱吸収
体の内部情報の値に生じる誤差が無視できることを確認
しておく必要がある。なお、以下に述べる光拡散方程式
の解、及びそれから導出される種々のパラメータに関す
る関係式は一つの例であり、本願の発明が他の形の解あ
るいはそれから導出される他の形の関係式を用いてもよ
いことは明らかである。3. Solution of light diffusion equation and various parameters derived therefrom Next, the solution of the light diffusion equation, that is, the photon flux rate φ is obtained from the mathematical model, and the relational expressions relating to various predetermined parameters are derived from the photon flux rate φ. To do. When applying the approximation in this derivation process, it is necessary to confirm that the error that occurs in the value of the internal information of the scattering medium, which is the final purpose of measurement, can be ignored. It should be noted that the solution of the light diffusion equation described below and the relational expressions relating to various parameters derived therefrom are only examples, and the invention of the present application is not limited to the solution of other forms or the relational expressions of other forms derived therefrom. Obviously, it may be used.
【００８１】まず、前出の図６に示した半空間反射型の
モデルにおける光拡散方程式の解は、First, the solution of the light diffusion equation in the half space reflection type model shown in FIG.
【００８２】[0082]
【数６】 [Equation 6]
【００８３】となる。It becomes
【００８４】光子流動率φは、図６に示した境界条件下
の光拡散方程式の解であり、この光子流動率φから所定
のパラメータ、つまり光子流Ｊ、平均光路長＜Ｌ＞、光
子流の時間積分値Ｉ、光子流のフーリエ変換Ｆ（ω）、
その位相遅れΦなどを導出することができる。The photon flux rate φ is the solution of the light diffusion equation under the boundary conditions shown in FIG. 6, and from this photon flux rate φ, predetermined parameters, namely, photon flow J, average optical path length <L>, photon flow rate are obtained. Time integrated value I of, Fourier transform of photon flow F (ω),
The phase delay Φ and the like can be derived.
【００８５】ここで注目すべきことは、上記のようにし
て求めた光子流Ｊ、平均光路長＜Ｌ＞、光子流の時間積
分値Ｉ、さらには光子流のフーリエ変換Ｆ（ω）及びそ
の位相遅れΦなどが、２個の未知数つまり吸収係数μa
及び輸送散乱係数μS ′と複数の既知数の関数となるこ
とである。なお、上記の既知数は、散乱吸収体内部の光
速度ｃ、入射光の波長λ、光入射位置−光検出位置間距
離ρ、および変調光の変調成分の角周波数ωなどであ
る。It should be noted here that the photon flow J, the average optical path length <L>, the time integration value I of the photon flow, and the Fourier transform F (ω) of the photon flow and their values obtained as described above are obtained. Phase lag Φ is two unknowns, that is, absorption coefficient μa
And the transport scattering coefficient μ S ′ and a plurality of known numbers. The above known numbers are the light velocity c inside the scattering medium, the wavelength λ of the incident light, the distance ρ between the light incident position and the light detection position, and the angular frequency ω of the modulation component of the modulated light.
【００８６】したがって、制御あるいは設定可能な既知
数、例えば上記の例では、光入射位置−光検出位置間距
離ρあるいは変調光の変調角周波数ωを２つ以上の異な
る値に設定して計測し、得られた光検出信号つまり計測
値を演算して上記の何れかのパラメータを検出し、この
パラメータに対する上記の関係の２つ以上の連立関係に
基づいて、２個の未知数つまり吸収係数μa および輸送
散乱係数μS ′を演算処理によって算出することが可能
になる。この場合、当然ではあるが、独立な計測値の数
が多いほど上記演算処理の精度が向上する。Therefore, a known number that can be controlled or set, for example, in the above example, the distance ρ between the light incident position and the light detection position or the modulation angular frequency ω of the modulated light is set to two or more different values and measured. , The obtained light detection signal, that is, the measured value is calculated to detect any one of the above parameters, and two unknown numbers, that is, absorption coefficients μ a based on the two or more simultaneous relationships of the above relationships with this parameter. And it becomes possible to calculate the transport scattering coefficient μ S ′ by arithmetic processing. In this case, as a matter of course, the greater the number of independent measurement values, the higher the accuracy of the arithmetic processing.
【００８７】具体的な所定のパラメータとしては、例え
ば次のものがあり、これらは全て（３．１）式から導出
される。また、次に述べる所定のパラメータを表す式
は、本願の発明者らのモンテカルロシミュレーションや
実験結果とよく一致することが確認されている。Specific specific parameters include, for example, the followings, all of which are derived from the equation (3.1). Further, it has been confirmed that the equations representing the predetermined parameters described below are in good agreement with the Monte Carlo simulations and the experimental results by the inventors of the present application.
【００８８】反射型の計測では光検出位置でｚ＝０であ
ることを考慮すると、光子流Ｊは、Considering that z = 0 at the light detection position in the reflection type measurement, the photon flow J is
【００８９】[0089]
【数７】 [Equation 7]
【００９０】[0090]
【数８】 [Equation 8]
【００９１】平均光路長＜Ｌ＞は、The average optical path length <L> is
【００９２】[0092]
【数９】 [Equation 9]
【００９３】また、光子流Ｊの時間積分値Ｉは、The time integrated value I of the photon flow J is
【００９４】[0094]
【数１０】 [Equation 10]
【００９５】[0095]
【数１１】 [Equation 11]
【００９６】さらに、光子流Ｊのフーリエ変換Ｆ（ω）
の位相遅れΦは、Further, the Fourier transform F (ω) of the photon flow J
The phase delay Φ of
【００９７】[0097]
【数１２】 [Equation 12]
【００９８】[0098]
【数１３】 [Equation 13]
【００９９】となる。ただし、 ｚ0 ＝２Ｄ …（３．９） ｑ2 ＝ρ2 ＋（２ｚ0 ）2 …（３．１０） Θ＝ tan-1（ω／ｃμa ） …（３．１１） である。It becomes However, z 0 = a 2D ... (3.9) q 2 = ρ 2 + (2z 0) 2 ... (3.10) Θ = tan -1 (ω / cμ a) ... (3.11).
【０１００】また、（３．７）式と（３．８）式の第２
項は、ｑμeff 》１あるいはρμeff 》１、かつΘ＜
１．５［ｒａｄｉａｎ］のとき、−Θ／２となる。The second of the equations (3.7) and (3.8)
The terms are qμ eff >> 1 or ρμ eff >> 1, and Θ <
When it is 1.5 [radian], it becomes −θ / 2.
【０１０１】つぎに、透過型の計測について述べる。前
出の図７に示したスラブ透過型のモデルにおける光拡散
方程式の解は、Next, the transmission type measurement will be described. The solution of the light diffusion equation in the slab transmission type model shown in FIG.
【０１０２】[0102]
【数１４】 [Equation 14]
【０１０３】となる。It becomes
【０１０４】前記反射型計測の場合と同様にして、この
解つまり光子流動率φから、種々の所定のパラメータ、
例えば光子流Ｊ、平均光路長＜Ｌ＞、光子流の時間積分
値Ｉ、光子流Ｊのフーリエ変換Ｆ（ω）、およびその位
相遅れΦなどを導出することができる。Similar to the case of the reflection type measurement, from this solution, that is, the photon flow rate φ, various predetermined parameters,
For example, the photon flow J, the average optical path length <L>, the time integration value I of the photon flow, the Fourier transform F (ω) of the photon flow J, and its phase delay Φ can be derived.
【０１０５】ここで重要なことは、反射型計測の場合と
同様に、上記で求めた所定のパラメータつまり光子流
Ｊ、平均光路長＜Ｌ＞、光子流Ｊの時間微分ｄＪ／ｄ
ｔ、光子流Ｊの時間積分値Ｉ、さらには光子流Ｊのフー
リエ変換Ｆ（ω）とその位相遅れΦなどが、吸収係数μ
a 及び輸送散乱係数μS ′の２個の未知数と複数の既知
数で表記できることである。なお、上記の既知数は、散
乱吸収体内部の光速度ｃ、入射光の波長λ、光入射位置
−光検出位置間距離ρ、および変調光の変調成分の角周
波数ωなどである。Here, as in the case of the reflection type measurement, what is important here is the predetermined parameters obtained above, that is, the photon flow J, the average optical path length <L>, and the time derivative dJ / d of the photon flow J.
t, the time integrated value I of the photon flow J, the Fourier transform F (ω) of the photon flow J and its phase delay Φ, etc.
It is possible to express it by two unknown numbers of a and the transport scattering coefficient μ S ′ and a plurality of known numbers. The above known numbers are the light velocity c inside the scattering medium, the wavelength λ of the incident light, the distance ρ between the light incident position and the light detection position, and the angular frequency ω of the modulation component of the modulated light.
【０１０６】したがって、制御あるいは設定可能な既知
数、例えば上記の例では、光入射位置−光検出位置間距
離ρあるいは変調光の変調角周波数ωを２つ以上の異な
る値に設定して計測し、光検出信号を演算して上記の何
れかのパラメータを検出し、得られたパラメータに対す
る上記の関係の２つ以上の連立関係に基づいて、２個の
未知数つまり吸収係数μa 及び輸送散乱係数μS ′を演
算処理によって算出することが可能になる。この場合、
当然のことであるが、独立な計測値の数が多いほど、上
記演算処理の精度が向上する。Therefore, a known number that can be controlled or set, for example, in the above example, the distance ρ between the light incident position and the light detection position or the modulation angular frequency ω of the modulated light is set to two or more different values and measured. , A photodetection signal is calculated to detect any one of the above parameters, and two unknowns, that is, an absorption coefficient μ a and a transport scattering coefficient, based on two or more simultaneous relationships of the above relationships with the obtained parameters. It becomes possible to calculate μ S ′ by arithmetic processing. in this case,
As a matter of course, the greater the number of independent measurement values, the higher the accuracy of the arithmetic processing.
【０１０７】具体的なパラメータは、例えば次のように
なり、これらは全て（３．１２）式から導出される。ま
た、これらのパラメータを表す式は、本願の発明者らの
モンテカルロシミュレーションや実験結果とよく一致す
ることが確認されている。なお、以下の種々の式を誘導
する際に、無限個の正負の点光源で構成されるモデル
は、正負それぞれ２個の点光源で構成されるモデルで十
分に近似できるので、以下ではこの近似を用いて説明す
る。The concrete parameters are as follows, for example, and they are all derived from the equation (3.12). Moreover, it has been confirmed that the expressions expressing these parameters are in good agreement with the Monte Carlo simulations and the experimental results of the inventors of the present application. When deriving the various expressions below, a model composed of an infinite number of positive and negative point light sources can be sufficiently approximated by a model composed of two positive and negative point light sources. Will be explained.
【０１０８】透過型計測では光検出位置でρ＝０である
ことを考慮すると、２種の光子流Ｊは、Considering that ρ = 0 at the light detection position in the transmission type measurement, the two types of photon streams J are
【０１０９】[0109]
【数１５】 [Equation 15]
【０１１０】[0110]
【数１６】 [Equation 16]
【０１１１】平均光路長＜Ｌ＞は、４ｚ0 《ｄのとき、When the average optical path length <L> is 4z 0 << d,
【０１１２】[0112]
【数１７】 [Equation 17]
【０１１３】また、光子流Ｊの時間積分値Ｉは、The time integrated value I of the photon flow J is
【０１１４】[0114]
【数１８】 [Equation 18]
【０１１５】[0115]
【数１９】 [Formula 19]
【０１１６】さらに、光子流Ｊのフーリエ変換Ｆ（ω）
の位相遅れΦは、Further, the Fourier transform F (ω) of the photon flow J
The phase delay Φ of
【０１１７】[0117]
【数２０】 [Equation 20]
【０１１８】[0118]
【数２１】 [Equation 21]
【０１１９】となる。但し、上記のα3 は、It becomes: However, α 3 above is
【０１２０】[0120]
【数２２】 [Equation 22]
【０１２１】また、２ｚ0 tan(Θ／２）＜１／４、ｚ0
《ｄのとき、
α3 ＝− tan-1｛〔１＋ｅｘｐ（−２ｚ0 μeff ）〕tan(Θ／２）｝
…（３．２１）
となる。Also, 2z 0 tan (Θ / 2) <1/4, z 0
When d, α 3 = −tan −1 {[1 + exp (−2z 0 μ eff )] tan (θ / 2)} (3.21).
【０１２２】さらに、α4 は、Further, α 4 is
【０１２３】[0123]
【数２３】 [Equation 23]
【０１２４】また、２ｚ0 tan(Θ／２）＜１／４、ｚ0
《ｄのときは、Also, 2z 0 tan (Θ / 2) <1/4, z 0
<< d
【０１２５】[0125]
【数２４】 [Equation 24]
【０１２６】となる。但し上記で、 ｘ＝２1/2 ｚ0 μeff 〔（１＋ tan2 Θ）1/2 ＋１〕1/2 …（３．２４） である。[0126] However, in the above, x = 2 1/2 z 0 μ eff [(1 + tan 2 Θ) 1/2 +1] 1/2 (3.24).
【０１２７】以上の場合にも反射型計測と同様、ｚ0 ＝
２Ｄ、およびΘ＝ tan-1( ω／ｃμa ）である。また、
Θ《１、ｚ0 《ｄのとき、α3 ＝α4 ＝−Θとなる。In the above case, z 0 =
2D, and Θ = tan −1 (ω / cμ a ). Also,
When Θ << 1 and z 0 << d, α 3 = α 4 = −Θ.
【０１２８】４． 内部情報の計測
光検出手段によって直接得られる信号は光子流Ｊに相当
する。したがって、散乱吸収体の内部情報計測では、前
記光検出信号を演算して第１次情報である所定のパラメ
ータを抽出し、つぎにこの所定のパラメータと散乱吸収
体内部の拡散伝搬経路における散乱特性及び吸収特性と
の関係に基づいて、第２次情報である散乱吸収体の内部
情報を演算処理によって算出する。この演算処理に際し
て前記関係の連立関係が必要となる場合には、制御ある
いは設定可能なパラメータ、例えば光検出距離や変調光
の変調角周波数などが異なる２つ以上の条件で計測す
る。4. The signal directly obtained by the measuring light detecting means for internal information corresponds to the photon stream J. Therefore, in the internal information measurement of the scattering medium, the light detection signal is calculated to extract a predetermined parameter which is the primary information, and then the predetermined parameter and the scattering characteristic in the diffusion propagation path inside the scattering medium. And the internal information of the scattering medium, which is the secondary information, is calculated by a calculation process based on the relationship with the absorption characteristics. When a simultaneous relation of the above relations is required in this arithmetic processing, measurement is performed under two or more conditions in which parameters that can be controlled or set, such as a light detection distance and a modulation angular frequency of modulated light, are different.
【０１２９】このような計測には、絶対値計測と相対値
計測がある。また、特定吸収成分や特定散乱成分などを
定量計測する場合には、２つ以上の異なる波長の光を利
用する。さらに、上記で求めた内部情報が光入射位置−
光検出位置に対応する拡散伝搬経路に沿った線積分値で
あると見做して、散乱吸収体の断層面に沿った種々の方
向に対する計測で得られた多数のデータを利用して、Ｘ
線ＣＴに見られるような断層像を再構成することも可能
になる。Such measurement includes absolute value measurement and relative value measurement. Further, in the case of quantitatively measuring the specific absorption component, the specific scattering component, etc., light of two or more different wavelengths is used. Furthermore, the internal information obtained above is the light incident position −
Considering that it is a line integral value along the diffusion propagation path corresponding to the light detection position, X data is obtained using a large number of data obtained by measurement in various directions along the tomographic plane of the scattering medium.
It is also possible to reconstruct a tomographic image as seen on the line CT.
【０１３０】以下では、これらの中の代表例について述
べる。但し、他の種類の計測に、以下で述べる方法や装
置およびそれらの変形例を応用することは容易に類推で
きる。Representative examples of these will be described below. However, it can be easily inferred to apply the methods and devices described below and their modified examples to other types of measurement.
【０１３１】（１）内部情報の絶対値計測
散乱吸収体の内部情報の絶対値を計測する方法は、前記
で求めた所定のパラメータ、つまり光子流Ｊ、平均光路
長＜Ｌ＞、光子流Ｊの時間微分ｄＪ／ｄｔ、光子流Ｊの
時間積分値Ｉ、光子流Ｊのフーリエ変換Ｆ（ω）の振幅
などを利用する方法（以下では、略して光強度法と呼
ぶ）と、光子流Ｊのフーリエ変換Ｆ（ω）の位相遅れΦ
などを利用する方法（以下では、略して変調光法と呼
ぶ）に大別できる。換言すれば、前者は（３．２）式乃
至（３．６）式、及び（３．１３）式乃至（３．１７）
式などで表記される関係を利用する方法である。また後
者は（３．７）式や（３．８）式、及び（３．１８）や
（３．１９）式などで表記される関係を利用する方法で
ある。以下では、前者の光強度法の代表例として、
（３．５）式で表される関係を利用する方法について述
べる。但し、以下に述べる方法が、同様にして他の光強
度方法に適用できることは明らかである。(1) Measurement of Absolute Value of Internal Information The method of measuring the absolute value of the internal information of the scattering medium is as follows: the predetermined parameters obtained above, that is, the photon flow J, the average optical path length <L>, and the photon flow J. Of the photon flow J, the time integration value I of the photon flow J, the amplitude of the Fourier transform F (ω) of the photon flow J, etc. (hereinafter, abbreviated as the light intensity method), and the photon flow J Phase lag Φ of Fourier transform F (ω) of
And the like (hereinafter, abbreviated as modulated light method). In other words, the former are the equations (3.2) to (3.6) and the equations (3.13) to (3.17).
This is a method that uses the relationship expressed by an expression. The latter is a method that uses the relationships expressed by the equations (3.7) and (3.8), and the equations (3.18) and (3.19). Below, as a typical example of the former light intensity method,
A method of using the relationship represented by the equation (3.5) will be described. However, it is clear that the method described below can be similarly applied to other light intensity methods.
【０１３２】いま、図８に示すように、異なる２つの光
検出距離で、（３．５）式に示した所定のパラメータＩ
g を計測するものとし、光検出距離をそれぞれρ1 およ
びρ2 とし、これらに対する所定のパラメータの２つの
計測値をそれぞれ、
Ｉ［ρ1 ］：検出距離ρ1 での計測値
Ｉ［ρ2 ］：検出距離ρ2 での計測値
のように表すことにする。Now, as shown in FIG. 8, the predetermined parameter I shown in the equation (3.5) is obtained at two different light detection distances.
It is assumed that g is measured, the light detection distances are ρ 1 and ρ 2 , respectively, and two measurement values of predetermined parameters for these are respectively I [ρ 1 ]: measurement value I [ρ 2 at the detection distance ρ 1. ]: It is expressed as a measurement value at the detection distance ρ 2 .
【０１３３】なお、図８では１つの光入射位置と２つの
光検出位置を設定したが、２つの光入射位置と１つの光
検出位置を用いても、同様の計測ができることは明らか
である。また、この計測は光検出信号の積分値を利用す
るので、入射光は積分時間が規定できるものであれば、
どんな波形のものでもよい。例えば方形波や連続光でも
よいことは明らかである。Although one light incident position and two light detection positions are set in FIG. 8, it is clear that the same measurement can be performed by using two light incident positions and one light detection position. Moreover, since this measurement uses the integrated value of the light detection signal, if the integration time of the incident light can be specified,
Any waveform may be used. Obviously, for example, a square wave or continuous light may be used.
【０１３４】さて、２つの光検出距離ρ1 とρ2 に対す
る２つの計測値は、（３．５）式から導かれる次の２連
の連立方程式を満足する。The two measured values for the two photodetection distances ρ 1 and ρ 2 satisfy the following two simultaneous equations derived from equation (3.5).
【０１３５】[0135]
【数２５】 [Equation 25]
【０１３６】ただし、ｑ1 2 ＝ρ1 2 ＋（２ｚ0 ）2 ｑ2 2 ＝ρ2 2 ＋（２ｚ0 ）2 ｚ0 ＝２Ｄ＝２／〔３（μa ＋μS ′）〕 μeff ＝〔３μa （μa ＋μS ′）〕1/2 である。However, q 1 2 = ρ 1 2 + (2z 0 ) 2 q 2 2 = ρ 2 2 + (2z 0 ) 2 z 0 = 2D = 2 / [3 (μ a + μ S ′)] μ eff = [3 μ a (μ a + μ S ′)] 1/2 .
【０１３７】この連立方程式（４．１）を構成する２連
の式はそれぞれ独立であり、未知数はμa およびμS ′
の２個である。したがって、計測によって得られる２個
の計測値Ｉ［ρ1 ］及びＩ［ρ2 ］と、既知あるいは別
の方法で測定した値ρ1 及びρ2 を用いて、２個の未知
数μa 及びμS ′を一意的に求めることができる。ま
た、これらの値からμeff やｚ0 の値を算出することも
できる。The two equations forming this simultaneous equation (4.1) are independent of each other, and the unknowns are μ a and μ S ′.
It is two. Therefore, using the two measurement values I [ρ 1 ] and I [ρ 2 ] obtained by the measurement and the values ρ 1 and ρ 2 which are known or measured by another method, two unknowns μ a and μ it can be determined uniquely the S '. Further, the values of μ eff and z 0 can be calculated from these values.
【０１３８】以上のようにμa とμS ′あるいはμeff
を求めるには、（３．１）式から導かれた２連のそれぞ
れ独立した式であれば、どんな形の式でもよい。また、
以上のような連立方程式を解く計算は、コンピュータを
利用して高速に実行することができる。なお、独立な計
測値の数が多いほど、つまり連立方程式の数が多いほ
ど、前記計算の精度が向上する。As described above, μ a and μ S ′ or μ eff
To obtain, any form of equation can be used as long as it is two independent equations derived from equation (3.1). Also,
The calculation for solving the above simultaneous equations can be executed at high speed by using a computer. The greater the number of independent measurement values, that is, the greater the number of simultaneous equations, the higher the accuracy of the calculation.
【０１３９】以上では、計測対象が半空間を占める散乱
吸収体である場合について説明したが、実際には有限の
大きさの散乱吸収体を計測することが多い。この場合、
図８の散乱吸収体の外側で前記の境界条件が満足され、
かつ散乱吸収体内部を拡散伝搬する光に対して光拡散の
条件が成立すればよい。この条件は、検出距離ρ1 及び
ρ2 に比較して散乱吸収体が十分大きいと見做せるとき
に成立する。例えば、図８に示した波線内の部分は、検
出位置に到達する光子の大部分が通過する領域を示す。
このような領域が存在することは、前述した Sevick ら
が報告した散乱吸収体内部のバナナ状の光の束3)、ある
いは本願の発明者らのモンテカルロシミュレーションの
結果（たとえば、図１や図２）からも明らかである。ま
た、上記では、種々の入射角度成分をもつ光を点状にし
て散乱吸収体に入射する。しかし、既に述べたように、
光を入射する部分を有限の面積をもつ領域にしてもよ
く、また、ある程度入射角度分布が制限された光を入射
してもよい。つまり、前者の場合は点光源の集まりと考
えればよい。また後者の場合は、先に述べたように、入
射角度が０°乃至３０°以上の範囲に、ほぼ均一に分布
しておれば、それに起因する誤差を無視することができ
る。また、０〜４５゜の範囲で均一に分布するようにす
れば、さらに計測精度が向上する。Although the case where the measurement target is a scattering medium occupying a half space has been described above, in practice, a scattering medium having a finite size is often measured. in this case,
The above boundary condition is satisfied outside the scattering medium of FIG.
Moreover, it is only necessary that the condition of light diffusion is satisfied for the light diffusely propagating inside the scattering medium. This condition is satisfied when it can be considered that the scattering medium is sufficiently large compared to the detection distances ρ 1 and ρ 2 . For example, the part in the wavy line shown in FIG. 8 shows the region through which most of the photons reaching the detection position pass.
The existence of such a region is due to the banana-shaped light flux3 ) inside the scattering medium reported by Sevick et al.3 ) or the result of Monte Carlo simulation by the inventors of the present application (for example, FIGS. 1 and 2). ) Is also clear. Further, in the above, light having various incident angle components is made into a point shape and is incident on the scattering medium. But as already mentioned,
The portion on which light is incident may be a region having a finite area, or light whose incident angle distribution is limited to some extent may be incident. That is, in the former case, it may be considered as a group of point light sources. Further, in the latter case, as described above, if the incident angles are distributed almost uniformly in the range of 0 ° to 30 ° or more, the error caused by that can be ignored. Further, if the distribution is made uniform in the range of 0 to 45 °, the measurement accuracy is further improved.
【０１４０】さらに、異なる２つの波長λ1 とλ2 の光
に対して上記の計測を行えば、それぞれの波長に対する
吸収係数μa1及びμa2、及びそれぞれの波長に対する輸
送散乱係数μS1′及びμS2′を求めることができる。し
たがって、例えばμa1／μa2の値からヘモグロビンの酸
素飽和度などを算出することができる4)。このような２
波長分光計測では、散乱吸収体に含まれる吸収成分の吸
収係数の波長依存性を利用する。例えば、酸化・還元ヘ
モグロビンや酸化・還元ミオグロビンの計測では、酸化
・還元に対して吸収係数の差が大きい波長の光、例えば
700 nmから1.2μm の波長の光がよく使用される。ま
た、３種以上の波長の光を利用すれば、より精度の高い
計測、あるいはバックグラウンド吸収がある試料の計測
などが可能になる4)。Further, if the above-mentioned measurement is carried out for light of two different wavelengths λ 1 and λ 2 , the absorption coefficients μ a1 and μ a2 for the respective wavelengths and the transport scattering coefficient μ S1 ′ for the respective wavelengths and It is possible to obtain μ S2 ′. Therefore, for example, the oxygen saturation of hemoglobin can be calculated from the value of μ a1 / μ a2 4) . 2 like this
In the wavelength spectroscopic measurement, the wavelength dependence of the absorption coefficient of the absorption component contained in the scattering medium is used. For example, in the measurement of oxidized / reduced hemoglobin and oxidized / reduced myoglobin, light of a wavelength having a large difference in absorption coefficient between oxidation / reduction, for example,
Light with wavelengths from 700 nm to 1.2 μm is often used. Also, by using light of three or more wavelengths, it is possible to measure with higher accuracy or to measure samples with background absorption 4) .
【０１４１】本願の計測方法及び装置を以上に述べたよ
うな２波長分光計測に応用した場合、２つの波長に対す
る輸送散乱係数μS1′とμS2′の絶対値が求められると
いう、従来例にはない大きな利点が生じる。したがっ
て、従来の２波長分光における仮定、つまり異なる２つ
の波長の光に対する散乱成分の散乱係数が同一または差
があっても極めて小さいという仮定が成立しなくても、
本願の発明による計測方法及び装置では、精度の高い計
測ができる。このように、本願の発明による計測方法や
装置は、従来の２波長分光計測の適用範囲を大幅に拡大
して、計測精度を大きく向上させることができる。な
お、異なる２つの波長に対して輸送散乱係数μS ′が等
しいと見做せる場合には、上記の（４．１）式を変形し
たより簡単な式、あるいはより少ない数の連立関係を利
用することができる。When the measuring method and apparatus of the present application are applied to the two-wavelength spectroscopic measurement as described above, the conventional example in which the absolute values of the transport scattering coefficients μ S1 ′ and μ S2 ′ for two wavelengths can be obtained. There are no big advantages. Therefore, even if the assumption in the conventional two-wavelength spectroscopy, that is, the assumption that the scattering coefficients of the scattering components with respect to light of two different wavelengths are the same or different, is extremely small,
The measuring method and apparatus according to the invention of the present application enables highly accurate measurement. As described above, the measuring method and apparatus according to the present invention can greatly expand the applicable range of the conventional two-wavelength spectroscopic measurement and greatly improve the measurement accuracy. If it can be considered that the transport scattering coefficient μ S ′ is the same for two different wavelengths, use a simpler formula obtained by modifying the above formula (4.1), or use a smaller number of simultaneous relations. can do.
【０１４２】また、以上に述べた計測方法と装置は、ス
ラブ状の試料に適用することもでき、この様子を図９に
示す。ただし、図９では１つの位置から光を入射して、
光検出距離の異なる２つの位置で光検出しているが、２
つの位置から光を入射して、光検出距離の異なる２つの
位置で検出しても同様のことができる。但し、このよう
な透過型の計測では、（３．１２）式から導出される
式、例えば（３．１３）乃至（３．１９）式などの連立
関係を利用する。The measuring method and apparatus described above can also be applied to a slab-shaped sample, which is shown in FIG. However, in FIG. 9, light is incident from one position,
Light is detected at two positions with different light detection distances.
Even if light is incident from two positions and detected at two positions having different light detection distances, the same result can be obtained. However, in such a transmission type measurement, the simultaneous relations of the formulas derived from the formula (3.12), for example, the formulas (3.13) to (3.19) are used.
【０１４３】ところで、上記で得た内部情報つまり吸収
係数μa や輸送散乱係数μS ′は、光入射位置から光検
出位置に拡散伝搬する光の光路に沿う情報の積算値ある
いは平均値である。したがって、図８示した光入射位置
−光検出位置間の距離、あるいは図９に示した光検出位
置の間隔に比較して、内部情報の変化が十分緩やかであ
る場合には、計測位置つまり光入射位置と光検出位置の
組を散乱吸収体に対して相対的に走査させることによっ
て、各種の内部情報の空間分布の画像化つまりイメージ
ングができる。また、当然ではあるが前記の計測を異な
る時間に行えば、前記内部情報の時間変化を計測するこ
とができ、この種の計測は脳内酸素量などのモニタリン
グに利用される。なお、以上のような画像化演算など
は、メモリ、デイスプレイなどを備えたコンピュータ装
置によって高速に実行される。By the way, the internal information obtained above, that is, the absorption coefficient μ a and the transport scattering coefficient μ S ′ are integrated values or average values of information along the optical path of the light diffusely propagating from the light incident position to the light detection position. . Therefore, in comparison with the distance between the light incident position and the light detection position shown in FIG. 8 or the interval between the light detection positions shown in FIG. By scanning the set of the incident position and the light detection position relative to the scattering medium, the spatial distribution of various internal information can be imaged, that is, imaged. Further, as a matter of course, if the above measurement is performed at different times, it is possible to measure the time change of the internal information, and this kind of measurement is used for monitoring the oxygen content in the brain. It should be noted that the above-described imaging operation and the like are executed at high speed by a computer device equipped with a memory, a display and the like.
【０１４４】また、上記で求めた吸収係数μa や輸送散
乱係数μS ′が、前記光入射位置−光検出位置に対応す
る拡散伝搬光の拡散伝搬経路に沿った線積分値であると
見做せば、このデータを利用して、Ｘ線ＣＴに見られる
ような断層像を再構成することが可能になる。Further, it is considered that the absorption coefficient μ a and the transport scattering coefficient μ S ′ obtained above are line integral values along the diffusion propagation path of the diffuse propagation light corresponding to the light incident position-light detection position. In other words, this data can be used to reconstruct a tomographic image as seen in X-ray CT.
【０１４５】（２）表面での光減衰を考慮した絶対値計
測
散乱吸収体に光を入射するとき、あるいは散乱吸収体か
ら光が出射するときに、何らかの光減衰、例えば表面の
着色層などでの吸収があると、前記（１）項に述べた計
測原理に基づいて計測した吸収係数μa や輸送散乱係数
μS ′に誤差が生じる。また、前述した拡散近似による
誤差（拡散近似では、厳密には自由表面での光子流動率
φの近似値しか求められないこと）、さらには光検出器
の量子効率などをこのηに含めて考えることもできる。(2) Absolute value measurement in consideration of light attenuation on the surface When light is incident on the scattering medium or when light is emitted from the scattering medium, some light attenuation, for example, a colored layer on the surface If the absorption is caused, an error occurs in the absorption coefficient μ a and the transport scattering coefficient μ S ′ measured based on the measurement principle described in the item (1). In addition, the error due to the above-mentioned diffusion approximation (in the diffusion approximation, only the approximate value of the photon flux rate φ on the free surface is strictly obtained), and further, the quantum efficiency of the photodetector is included in this η. You can also
【０１４６】以下では、このような光減衰によって誤差
が発生する可能性がある場合でも、その誤差を発生させ
ない計測方法について説明する。なお、以下では代表例
として（３．５）式で表される関係を利用する場合につ
いて説明するが、（３．１）式や（３．１２）式から導
出される他の形の関係を利用する場合についても、同様
にしてμa やμS ′の絶対値を計測することができる。Hereinafter, a measuring method that does not cause an error even if an error may occur due to such light attenuation will be described. In the following, as a typical example, the case of using the relationship represented by the equation (3.5) will be described. However, other forms of the relationship derived from the equations (3.1) and (3.12) will be described. Even when used, the absolute values of μ a and μ S ′ can be similarly measured.
【０１４７】いま、上記のような光減衰の減衰率ηとす
ると、計測に利用される光子流は（３．２）式から、Now, assuming that the attenuation rate η of light attenuation is as described above, the photon flow used for measurement is given by the equation (3.2):
【０１４８】[0148]
【数２６】 [Equation 26]
【０１４９】となる。It becomes:
【０１５０】この（４．２）式から計測に利用される光
子流、つまり光検出信号Ｊgdの時間積分値であるＩgdを
表す式、つまり前出の（３．５）式に対応する式を求め
ると、From this equation (4.2), a photon flow used for measurement, that is, an equation representing Igd which is the time integrated value of the photodetection signal Jgd, that is, an equation corresponding to the above equation (3.5) is calculated. When asked,
【０１５１】[0151]
【数２７】 [Equation 27]
【０１５２】となる。ただし、ｑ2 ＝ρ2 ＋（２ｚ0 ）
2 である。It becomes However, q 2 = ρ 2 + (2z 0 )
Is 2 .
【０１５３】明らかに（４．３）式の未知数は、μa 、
μS ′, 及びηの３個である。したがって、制御あるい
は設定可能な既知数である光検出距離ρを３つ以上の異
なる値に設定して上記のＩgdを演算し、得られた３個以
上のＩgdに対する上記の関係の連立関係に基づいて、３
個の未知数つまり光減衰率η、吸収係数μa 及び輸送散
乱係数μS ′を算出することが可能になる。さらに、異
なる２つ以上の波長の光に対して上記の計測を行えば、
散乱吸収体内部の特定吸収成分や特定散乱成分の定量計
測を行うことができる。この場合、上記の計算はコンピ
ュータを用いて高速に実行される。また、当然である
が、互いに独立な計測値Ｉgdの数が多いほど上記の計算
精度が向上する。Clearly, the unknowns in the equation (4.3) are μ a ,
μ S ′, and η. Therefore, the above-mentioned I gd is calculated by setting the light detection distance ρ, which is a known number that can be controlled or set, to three or more different values, and the simultaneous relation of the above-mentioned relations to the obtained three or more I gd . Based on 3
It becomes possible to calculate individual unknowns, that is, the optical attenuation factor η, the absorption coefficient μ a, and the transport scattering coefficient μ S ′. Furthermore, if the above measurement is performed for light of two or more different wavelengths,
It is possible to quantitatively measure the specific absorption component or the specific scattering component inside the scattering medium. In this case, the above calculation is performed at high speed using a computer. Also, as a matter of course, the greater the number of measurement values I gd that are independent of each other, the higher the above-mentioned calculation accuracy.
【０１５４】このような計測を行うための光入射位置と
光検出位置の関係は、図８及び図９で３つの異なる光検
出距離が得られるようにすること、例えば光検出距離が
異なる３つの位置で光を検出することで実現できる。ま
た、逆に光検出距離の異なる３つの位置に光を入射し
て、１つの光検出位置で光検出する方法を用いてもよ
い。また、前記光減衰率ηが既知である場合、あるいは
別の方法によって測定される場合には、前記（１）項に
述べた方法を利用することができる。The relationship between the light incident position and the light detection position for performing such measurement is such that three different light detection distances are obtained in FIGS. 8 and 9, for example, three light detection distances are different. It can be realized by detecting light at a position. Alternatively, a method may be used in which light is incident on three positions having different light detection distances and light is detected at one light detection position. When the optical attenuation factor η is known or is measured by another method, the method described in the item (1) can be used.
【０１５５】（３）変調光法による内部情報の計測
変調光法による絶対値計測では、前出の（３．７）式及
び（３．８）式、あるいは（３．１８）式及び（３．１
９）式で表されるような位相遅れΦと吸収係数μa 及び
輸送散乱係数μS ′との関係、すなわち一般的にΦ＝ｆ
（μa ，μS ′，ω）と表記される関係を利用する。こ
のとき、ωは制御または設定可能なパラメータであるか
ら、２つ以上の異なる角周波数ωに対して前記Φを検出
し、ω1とω2 に対する２つの前記関係の連立関係か
ら、吸収係数μa 及び散乱係数μS′、さらには有効減
衰係数μeff を求めることができる。なおここでは、吸
収係数や輸送散乱係数が、変調光の変調角周波数ωに依
存しないことを利用している。(3) Measurement of Internal Information by Modulated Light Method In absolute value measurement by the modulated light method, equations (3.7) and (3.8), or equations (3.18) and (3) described above are used. .1
9) Relationship between the phase delay Φ and the absorption coefficient μ a and the transport scattering coefficient μ S ′, that is, generally Φ = f
The relation expressed as (μ a , μ S ′, ω) is used. At this time, since ω is a parameter that can be controlled or set, Φ is detected for two or more different angular frequencies ω, and the absorption coefficient μ is detected from the simultaneous relationship of the two relationships for ω 1 and ω 2 . It is possible to determine a and the scattering coefficient μ S ′, as well as the effective attenuation coefficient μ eff . Note that here, it is utilized that the absorption coefficient and the transport scattering coefficient do not depend on the modulation angular frequency ω of the modulated light.
【０１５６】上記の計測では、２つ以上の異なる角周波
数の正弦波変調光を使用する方法、異なる２つ以上の角
周波数成分を含む変調光を利用する方法などがある。ま
た、繰り返しパルス光や繰り返し方形波光は、基本周波
数成分とその整数倍の高次の周波数成分をもっているの
で、これらを利用することもできる。In the above measurement, there are a method of using sine wave modulated light having two or more different angular frequencies and a method of using modulated light containing two or more different angular frequency components. Further, since the repetitive pulsed light and the repetitive square wave light have a fundamental frequency component and higher-order frequency components that are integral multiples thereof, these can also be used.
【０１５７】さらに、上記の計測で、異なる２つ以上の
波長を有する光を使用して、散乱吸収体内部の特定吸収
成分や、特定散乱成分の定量計測を行うこともできる。
この計測の様子は、異なる２つ以上の角周波数の変調光
を用いること以外は、前記（１）項の計測とほぼ同様に
なる。但し、位相遅れΦは、前記（２）項に述べたよう
な光減衰率ηとは無関係であるから、これを考慮する必
要がない。Furthermore, in the above measurement, it is also possible to quantitatively measure the specific absorption component or the specific scattering component inside the scattering medium by using light having two or more different wavelengths.
The state of this measurement is almost the same as the measurement in the above item (1) except that modulated light having two or more different angular frequencies is used. However, since the phase delay Φ is irrelevant to the optical attenuation factor η as described in the item (2), it is not necessary to consider this.
【０１５８】以上から明らかなように、ここに述べた変
調光法は１つの光検出距離を用いるので、計測装置の構
成、演算処理などが簡単になるという利点がある。また
このことから、特に、前記（１）項に述べたようなイメ
ージングや断層像計測に有効な方法と装置を提供するこ
とができる。なお、イメージングや断層像計測の原理
は、前記（１）項とほぼ同様であるので、その詳細は略
する。また、当然ではあるが、３種以上の変調角周波数
を利用すれば、計測精度が向上する。さらに、変調光法
と前述した異なる光検出距離での計測法を併用すること
もできる。As is clear from the above, since the modulated light method described here uses one light detection distance, there is an advantage that the configuration of the measuring device, the arithmetic processing and the like become simple. Further, from this, in particular, it is possible to provide a method and apparatus effective for imaging and tomographic image measurement as described in the item (1). Since the principle of imaging and tomographic image measurement is almost the same as that of the above item (1), its details are omitted. Further, as a matter of course, the measurement accuracy is improved by using three or more types of modulation angular frequencies. Furthermore, the modulated light method and the above-described measurement method with different light detection distances can be used together.
【０１５９】（４）内部情報の相対値計測
前記（１）項乃至（３）項では絶対値計測について説明
した。しかし、相対値として計測された吸収係数の時間
的変化、あるいは吸収係数の空間分布なども有効な情報
である。このような相対値計測では、前記所定のパラメ
ータを適当に選ぶと、未知数を求めるために必要な連立
関係の数を減らすことができる場合がある。(4) Relative value measurement of internal information In the above (1) to (3), absolute value measurement was explained. However, the temporal change of the absorption coefficient measured as a relative value or the spatial distribution of the absorption coefficient is also effective information. In such relative value measurement, it may be possible to reduce the number of simultaneous relationships necessary for obtaining the unknown number by appropriately selecting the predetermined parameter.
【０１６０】例えば、２波長分光原理を応用する場合、
２つの異なる波長に対して輸送散乱係数μS ′が一定値
であると見做せるときは、この輸送散乱係数μS ′を一
定値として取り扱うことができ、連立関係の数を減らす
ことができる。さらにμa《μS ′であれば、近似を用
いて、式を簡単化することができる。また、１つの光検
出距離で、異なる時間、異なる位置、あるいは異なる波
長の光を用いて内部情報の相対値を計測することも可能
になる。さらに、前記（２）項で述べた光減衰率ηは２
つの光検出信号の比を取ることによって、消去すること
ができるので、光子流φの時間微分波形を利用した相対
値計測、あるいは近似的な絶対値計測が可能になる。For example, when applying the two-wavelength spectroscopy principle,
When the transport scattering coefficient μ S ′ can be regarded as a constant value for two different wavelengths, this transport scattering coefficient μ S ′ can be treated as a constant value, and the number of simultaneous relationships can be reduced. . Further, if μ a << μ S ′, the equation can be simplified by using approximation. It is also possible to measure the relative value of the internal information with one light detection distance using lights of different times, different positions, or different wavelengths. Further, the optical attenuation factor η described in the above item (2) is 2
Since it can be erased by taking the ratio of the two photodetection signals, it is possible to measure the relative value using the time-differential waveform of the photon flow φ or the approximate absolute value.
【０１６１】以上のようなことは、近似を適用して、前
記（３．２）式乃至（３．８）式、及び（３．１３）乃
至（３．１９）式などで表される関係を簡単化して変形
することで、容易に理解される。なお、以上のような近
似を用いる方法や手法は、近似などによって計測誤差が
少し増大するという弱点があるが、２次元計測であるイ
メージングや断層像計測が比較的簡単に実行できるとい
う大きな利点がある。The above is the relation expressed by the equations (3.2) to (3.8) and (3.13) to (3.19) by applying the approximation. Can be easily understood by simplifying and transforming. Note that the method and method using the above approximation has a weak point that the measurement error slightly increases due to the approximation and the like, but has a great advantage that two-dimensional measurement such as imaging and tomographic image measurement can be relatively easily performed. is there.
【０１６２】以下、添付図面を参照して本発明の実施例
を説明する。なお、図面の説明においては同一の要素に
は同一の符号を付し、重複する説明を省略する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.
【０１６３】（第１実施例）図１０は本願の発明の第１
実施例を示すもので、散乱吸収体９の内部情報、例えば
吸収係数や輸送散乱係数の絶対値を計測する方法及び装
置の構成を示す。この構成では、３種類の光検出距離に
対応する３個の光検出信号が得られるから、３つの前述
した関係の連立関係、例えば３連の連立方程式が得られ
る。したがって、この実施例は未知数が３個以下となる
場合の計測に適用でき、その代表的な適用例は既に動作
原理を説明した「表面での光減衰を考慮した絶対値計
測」である。(First Embodiment) FIG. 10 shows a first embodiment of the present invention.
An example is shown, and a configuration of a method and an apparatus for measuring internal information of the scattering medium 9, for example, absolute values of absorption coefficient and transport scattering coefficient is shown. With this configuration, three photodetection signals corresponding to three types of photodetection distances are obtained, so that a simultaneous relation of the above-mentioned three relations, for example, three simultaneous equations are obtained. Therefore, this embodiment can be applied to measurement when the number of unknowns is 3 or less, and a typical application example thereof is "absolute value measurement in consideration of light attenuation on the surface" whose operation principle has already been described.
【０１６４】計測ヘッド部１０は、計測対象である散乱
吸収体９の表面に近接、あるいは接触させて使用するも
ので、筐体あるいはケースの中に光入射部や光検出器が
収納してある。光源２からの所定波長の光は、光ファイ
バーなどの導光部３１を介して、光入射部４に導かれ
る。光入射部４は、後に述べるように、散乱吸収体の表
面の所定部分に種々の入射角度成分をもつ光を入射す
る。この場合、光源２が発生する光は、連続光、パルス
光、方形波光、変調光など、どのような波形をもつもの
でもよい。光源には、レーザーダイオード、発光ダイオ
ード、ＨｅＮｅレーザーなど、種々のものを使用するこ
とができる。The measuring head section 10 is used in the vicinity of or in contact with the surface of the scattering medium 9 to be measured, and the light incident section and the photodetector are housed in the housing or case. . Light of a predetermined wavelength from the light source 2 is guided to the light incident section 4 via the light guide section 31 such as an optical fiber. As will be described later, the light incident section 4 makes light having various incident angle components incident on a predetermined portion of the surface of the scattering medium. In this case, the light generated by the light source 2 may have any waveform such as continuous light, pulsed light, square wave light, and modulated light. As the light source, various ones such as a laser diode, a light emitting diode and a HeNe laser can be used.
【０１６５】光入射部４を介して散乱吸収体９に入射さ
れた光は、散乱吸収体９の内部を拡散伝搬し、その一部
分が光ファイバーなどの導光部３２、３３及び３４を通
過し、それぞれの光検出器６２、６３及び６４で光検出
されて電気信号に変換される。この光検出器には、光電
管、光電子増倍管、フォトダイオード、ｐｉｎフォトダ
イオード、アバランシェフォトダイオードなど、前記所
定波長の光に感度をもつあらゆる種類の光検出器を使用
することができる。演算処理器７は、前記光検出器６
２、６３及び６４で得られた光検出信号を演算して第１
次情報である所定のパラメータを抽出し、さらにこの第
１次情報を演算処理して、第２次情報である散乱吸収体
の内部情報を算出して出力する。この演算に際して、通
常、予め設定された３種の光検出距離、あるいは予め別
の方法で測定して求めた３種の光検出距離を既知数とし
て用いる。また、これらの演算処理に際して、光源に同
期した同期信号を必要に応じて利用する。さらに、散乱
吸収体の内部情報に関する演算結果は、表示記録器８に
よって、必要に応じて表示あるいは記録される。The light incident on the scattering medium 9 through the light incident unit 4 diffuses and propagates inside the scattering medium 9, and a part thereof passes through the light guiding units 32, 33 and 34 such as optical fibers. The respective photodetectors 62, 63 and 64 detect the light and convert it into an electric signal. The photodetector may be any type of photodetector having sensitivity to the light of the predetermined wavelength, such as a phototube, a photomultiplier tube, a photodiode, a pin photodiode, and an avalanche photodiode. The arithmetic processor 7 includes the photodetector 6
The light detection signals obtained at 2, 63 and 64 are calculated to
A predetermined parameter which is the next information is extracted, and the primary information is further processed to calculate and output the internal information of the scattering medium which is the secondary information. In this calculation, usually, three types of light detection distances set in advance or three types of light detection distances measured by another method in advance are used as known numbers. In addition, a synchronization signal synchronized with the light source is used as necessary in these arithmetic processings. Further, the display recorder 8 displays or records the calculation result regarding the internal information of the scattering medium as required.
【０１６６】ここで、上記の第１次情報及び第２次情報
を得るための演算処理について、具体的に説明する。前
記光入射部４から種々の入射角度成分をもつ光が散乱吸
収体に入射されると、既に説明したように、等価的に点
光源または点光源の集まりが散乱吸収体の表面の極近傍
に生成され、この点光源から出た光が直ちに散乱吸収体
の内部を拡散伝搬すると考えてよい。したがって、光検
出器６２、６３及び６４で得られる光検出信号を演算し
て検出した第１次情報、つまり所定のパラメータと、拡
散伝搬光の拡散伝搬経路における吸収特性及び散乱特性
との間には、前述した関係、例えば（３．２）式乃至
（３．８）式に示した関係が成立する。したがって、こ
のような関係に基づいて前記第１次情報である所定のパ
ラメータを演算処理して、第２次情報である散乱吸収体
の内部情報、例えば吸収係数μa や輸送散乱係数μS ′
を算出することができる。Here, the arithmetic processing for obtaining the above-mentioned primary information and secondary information will be concretely described. When light having various incident angle components is incident on the scattering medium from the light incident portion 4, as already described, the point light source or the group of point light sources is equivalently located very close to the surface of the scattering medium. It can be considered that the light generated and emitted from the point light source immediately diffuses and propagates inside the scattering medium. Therefore, between the primary information detected by calculating the photodetection signals obtained by the photodetectors 62, 63 and 64, that is, the predetermined parameter and the absorption characteristic and the scattering characteristic of the diffuse propagation light in the diffusion propagation path. Holds the above-mentioned relations, for example, the relations shown in the equations (3.2) to (3.8). Therefore, based on such a relationship, a predetermined parameter, which is the primary information, is arithmetically processed to obtain internal information of the scattering medium, which is the secondary information, such as the absorption coefficient μ a and the transport scattering coefficient μ S ′.
Can be calculated.
【０１６７】上記の計測に用いられるパラメータとして
は、前述した光子流Ｊg とＪφから導出される２種類の
表記法による種々の所定のパラメータ、つまり平均光路
長＜Ｌ＞、光子流Ｊの時間微分値、光子流Ｊの時間積分
値などがある。但しここでは、前記光減衰率ηを考慮し
た光計測信号を考えている。例えば、光子流Ｊは（３．
２）式及び（３．３）式で与えられ、前記光減衰率ηを
考慮した光検出信号は、例えば（４．２）式のようにな
る。また、これと同様にして他の所定のパラメータに対
する関係式を求めることができる。以上のように、第１
次情報である所定のパラメータは、前記（３．２）式乃
至（３．８）式に基づく演算などによって、光検出信号
から求めることができる。As the parameters used for the above measurement, various predetermined parameters based on the two kinds of notation derived from the above-mentioned photon flows J g and J φ, that is, the average optical path length <L> and the time of the photon flow J. There are a differential value, a time integral value of the photon flow J, and the like. However, here, an optical measurement signal considering the optical attenuation rate η is considered. For example, the photon flow J is (3.
The photodetection signal given by the equations (2) and (3.3) and considering the optical attenuation factor η is, for example, the equation (4.2). Further, similarly to this, the relational expressions for other predetermined parameters can be obtained. As mentioned above, the first
The predetermined parameter, which is the next information, can be obtained from the light detection signal by a calculation based on the equations (3.2) to (3.8).
【０１６８】前記光入射部４は、散乱吸収体の表面の所
定部分に種々の入射角度成分をもつ光を入射させて、散
乱吸収体の表面近傍に点光源あるいは点光源の集まりを
生成するもので、前述のように、入射光の角度分布は０
°乃至３０°以上の範囲で、均一に分布させることが望
ましい。また、０〜４５゜に範囲で均一に分布するよう
にすると、さらに精度が向上する。具体的な光入射部の
構成例としては、例えば図１１および図１２に示すよう
な種々のものがあり、以下、図１１および図１２を用い
て種々の光入射部を具体的に説明する。The light incident section 4 makes light having various incident angle components incident on a predetermined portion of the surface of the scattering medium to generate a point light source or a group of point light sources near the surface of the scattering medium. Therefore, as described above, the angular distribution of incident light is 0
It is desirable to make a uniform distribution within the range of 30 ° to 30 °. Further, if the distribution is made uniform in the range of 0 to 45 °, the accuracy is further improved. There are various concrete examples of the structure of the light incident part as shown in FIGS. 11 and 12, and various light incident parts will be specifically described below with reference to FIGS. 11 and 12.
【０１６９】図１１（ａ）はレンズを使用した光入射部
を示す。管状筐体あるいは管状ケース４９の端部にレン
ズ４１が取り付けてあり、このレンズにコリメート光あ
るいはほぼコリメートな光ビームを入射する。すると、
光ビームはレンズ４１で集光されて、散乱吸収体９に入
射する。レンズ４１は管状ケース４９の先端部から少し
内部に取り付けてあり、管状ケース４９の先端を散乱吸
収体に接触させたとき、散乱吸収体９の表面が、丁度、
前記光入射部の集光点あるいは集光点の近傍に配置され
るようにしてある。この場合、散乱吸収体に入射する光
の角度分布はレンズの口径、レンズの焦点距離、光ビー
ムの径、光ビームの発散角度などで定まるから、これら
を適宜に選択することによって、種々の角度成分、例え
ば０°（垂直入射）から３０°以上の広い範囲に及ぶ種
々の入射角度成分をもたせることができる。この構成で
は、通常のレンズの他に、ロッドレンズ、フレネルレン
ズなどの種々のレンズを使用することができる。また、
レンズ４１に入射する光は光ファイバーで導かれた光な
どでもよい。FIG. 11A shows a light incident part using a lens. A lens 41 is attached to the end of the tubular casing or tubular case 49, and collimated light or a substantially collimated light beam is incident on this lens. Then,
The light beam is condensed by the lens 41 and enters the scattering medium 9. The lens 41 is attached slightly inside from the tip of the tubular case 49, and when the tip of the tubular case 49 is brought into contact with the scattering medium, the surface of the scattering medium 9 is just
It is arranged such that it is arranged at the light condensing point of the light incident portion or in the vicinity of the light condensing point. In this case, the angular distribution of the light incident on the scattering medium is determined by the aperture of the lens, the focal length of the lens, the diameter of the light beam, the divergence angle of the light beam, and so on. It is possible to have various incident angle components ranging from 0 ° (normal incidence) to 30 ° or more. In this configuration, various lenses such as rod lenses and Fresnel lenses can be used in addition to ordinary lenses. Also,
The light incident on the lens 41 may be light guided by an optical fiber.
【０１７０】図１１（ｂ）は管状ケース４９の先端に拡
散体４２を配置した光入射部を示す。管状ケース４９の
先端に配置した拡散体４２を介して散乱吸収体９へ光を
入射するもので、他の部分は前記（ａ）の構成例と同じ
である。この構成例では、レンズ４１から得られる種々
の入射角度成分をもつ光が、拡散体４２によってさらに
拡散されるので、より多くの種類の入射角度成分をもつ
光が散乱吸収体に入射される。例えば、完全拡散する拡
散体の場合には、０乃至９０°の入射角度成分をもつ光
（半球状になる）が散乱吸収体９に入射される。なお、
この構成では、レンズ４１を省略することもできる。ま
た、この構成では、拡散体とほぼ等しい面積をもつ散乱
吸収体の表面の所定の部分に、点光源の集まりを生成す
ることができる。FIG. 11B shows a light incident portion in which the diffuser 42 is arranged at the tip of the tubular case 49. Light is incident on the scattering medium 9 via the diffuser 42 arranged at the tip of the tubular case 49, and the other parts are the same as the configuration example of (a). In this configuration example, the light having various incident angle components obtained from the lens 41 is further diffused by the diffuser 42, so that the light having more types of incident angle components is incident on the scattering medium. For example, in the case of a diffuser that diffuses completely, light (having a hemispherical shape) having an incident angle component of 0 to 90 ° is incident on the scattering medium 9. In addition,
In this configuration, the lens 41 can be omitted. Further, with this configuration, a group of point light sources can be generated on a predetermined portion of the surface of the scattering medium having an area substantially equal to that of the diffusion medium.
【０１７１】図１１（ｃ）は光ファイバー４３の先端に
拡散体４２を付けた光入射部を示す。光ファイバー４３
を伝搬してきた光は、拡散体４２で拡散されて散乱吸収
体に入射し、拡散体４２で拡散された種々の入射角度成
分をもつ光が散乱吸収体９に入射する。光ファイバーに
入射できる光の角度分布、あるいは光ファイバーから出
射する光の角度分布は、光ファイバーの開口数から推定
することができ、市販の光ファイバーでは、通常３０°
以下の角度成分の光しか出射されない。ところが、拡散
体を配置した図１１（ｃ）の構成では、これより遥かに
多くの角度成分をもつ光を散乱吸収体に入射することが
できる。また、この構成で、拡散体４２を散乱吸収体９
の表面に配置し、この拡散体４２に光ファイバー４３か
らの光を入射する構成にしてもよい。FIG. 11C shows a light incident part in which the diffuser 42 is attached to the tip of the optical fiber 43. Optical fiber 43
The light propagated through the diffuser 42 is diffused by the diffuser 42 and enters the scattering medium, and the light having various incident angle components diffused by the diffuser 42 enters the scattering medium 9. The angular distribution of the light that can be incident on the optical fiber or that emitted from the optical fiber can be estimated from the numerical aperture of the optical fiber.
Only the light of the following angle components is emitted. However, in the configuration of FIG. 11C in which the diffuser is arranged, it is possible to make light having much more angular components than this enter the scattering medium. Further, with this configuration, the diffuser 42 is replaced by the scattering medium 9
The light may be incident on the diffuser 42 from the optical fiber 43.
【０１７２】図１２（ａ）は散乱吸収体９の表面に配置
した積分球４４の中に置いた光源２からの光を、積分球
４４の開口部を利用して散乱吸収体９に入射する手段を
示す。光源２からの光は、積分球４４の中で多重回反射
され、種々の角度成分をもつ光が積分球４４の開口から
出るので、この光が散乱吸収体に入射される。なお、光
源は、積分球に付けたコネクタを介して、電気的に制御
される。In FIG. 12A, the light from the light source 2 placed in the integrating sphere 44 disposed on the surface of the scattering medium 9 is incident on the scattering medium 9 through the opening of the integrating sphere 44. The means is shown. The light from the light source 2 is reflected multiple times in the integrating sphere 44, and light having various angular components exits from the aperture of the integrating sphere 44, so that this light is incident on the scattering medium. The light source is electrically controlled via a connector attached to the integrating sphere.
【０１７３】また、図１２（ｂ）は管状ケース４９の先
端に微小球レーザー４５を付けた光入射部を示す。最近
では、直径が２０μm 程度のポリエチレン球にレーザー
用色素をドープした単一球によるレーザー発振が観測さ
れている。この微小球から出る光は種々の角度成分をも
つので、この光を直接散乱吸収体に入射する。Further, FIG. 12B shows a light incident part in which the microsphere laser 45 is attached to the tip of the tubular case 49. Recently, laser oscillation has been observed with a single sphere in which a polyethylene dye having a diameter of about 20 μm is doped with a laser dye. Since the light emitted from this microsphere has various angular components, this light is directly incident on the scattering medium.
【０１７４】以上に詳しく説明したように、光入射部は
種々の入射角度成分をもつ光を散乱吸収体に入射させる
ものであれば、どのような構成であってもよい。また、
前記拡散体４は、オパールガラスなど所定の波長の光を
拡散するものであれば、どのようなものでもよい。As described in detail above, the light incident portion may have any structure as long as it allows light having various incident angle components to be incident on the scattering medium. Also,
The diffuser 4 may be any one as long as it diffuses light of a predetermined wavelength such as opal glass.
【０１７５】さらに、以上の実施例では３チャンネルの
光検出系を使用しているが、この変形例として、２チャ
ンネル以上の光源を用いる方法、多箇所に配置した４チ
ャンネル以上の光検出系で計測する方法などを用いても
よい。これらの場合、それぞれの光源を時分割点灯する
方法、波長の異なる光源用いる方法などがある。また、
２波長分光の原理を応用する計測では、２つ以上の波長
の異なる光を入射して、それぞれの波長の光に対して第
１次情報である上記のような所定のパラメータを求め、
これらの値から第２次情報である散乱吸収体の内部情報
を演算処理する。これらの場合、２つ以上の波長の異な
る光を時分割で点灯して、これと同期してそれぞれの波
長の光に対する光検出信号を得る方法、２つ以上の波長
の異なる光を同時に入射して、光検出側で波長を選択し
て光検出信号を得る方法、図１０に示した装置をそれぞ
れの波長に対して複数個用いる方法などがある。Further, in the above embodiments, the photodetection system of 3 channels is used. However, as a modified example, a method of using a light source of 2 channels or more, or a photodetection system of 4 channels or more arranged in multiple places is used. A measuring method or the like may be used. In these cases, there are a method of turning on each light source in a time division manner, a method of using light sources having different wavelengths, and the like. Also,
In the measurement applying the principle of two-wavelength spectroscopy, light having two or more different wavelengths is incident, and the predetermined parameter as the above-mentioned primary information is obtained for the light of each wavelength.
The internal information of the scattering medium, which is the secondary information, is arithmetically processed from these values. In these cases, two or more lights having different wavelengths are turned on in a time division manner, and a method of obtaining a photodetection signal for the lights of the respective wavelengths in synchronism with this is to simultaneously inject two or more lights having different wavelengths. Then, there is a method of selecting a wavelength on the photodetection side to obtain a photodetection signal, a method of using a plurality of devices shown in FIG. 10 for each wavelength, and the like.
【０１７６】また、以上の方法を相対値計測に応用する
こともできる。この場合には、先に説明したように、連
立関係の数を減らせる場合があり、例えば２つの光検出
距離を利用する方法もある。さらに、図１０の構成で、
散乱吸収体９に対して、計測ヘッド部１０を走査（図示
せず）させれば、散乱吸収体の内部情報の空間分布を計
測することができる。この場合、簡便には、人間の手で
計測ヘッド部１０を走査する方法がある。The above method can also be applied to relative value measurement. In this case, as described above, the number of simultaneous relationships may be reduced, and there is also a method of using two light detection distances, for example. Furthermore, with the configuration of FIG.
By scanning (not shown) the measuring head unit 10 with respect to the scattering medium 9, the spatial distribution of the internal information of the scattering medium can be measured. In this case, for convenience, there is a method of scanning the measurement head unit 10 with a human hand.
【０１７７】（第２実施例）第２実施例の装置は、図１
０を用いて説明した第１実施例の計測ヘッド部１０を変
形したもので、人体頭部の内部情報計測に使用する。具
体的には、脳内の酸化ヘモグロビンの濃度あるいはヘモ
グロビンの酸素飽和度などを計測あるいはモニタリング
する装置である。また、構造を少し変形すれば、マラソ
ン中の人の脚の筋肉中の酸化ヘモグロビン濃度の計測あ
るいはモニタリングなどに使用することもできる。(Second Embodiment) The apparatus of the second embodiment is shown in FIG.
This is a modification of the measurement head unit 10 of the first embodiment described using 0, and is used for measuring internal information of the human head. Specifically, it is a device that measures or monitors the concentration of oxyhemoglobin in the brain or the oxygen saturation level of hemoglobin. In addition, if the structure is slightly modified, it can be used for measuring or monitoring the concentration of oxyhemoglobin in the muscles of human legs during a marathon.
【０１７８】図１３は、このような第２実施例の計測ヘ
ッド部の具体的な構成例を示す。取り付け用のバンドと
一体化された容器１１は、鉢巻きのように頭部に装着さ
れ、容器の中に実装した計測部で脳内のヘモグロビンの
酸素飽和度などが計測される。この実施例に示す装置
は、２つの異なる所定波長λ1 とλ2 の光を使用し、そ
の動作は第１実施例の装置とほぼ同じである。但し、図
１３では、計測ヘッド部のみが示してあり、光源部、光
検出部、演算処理部、記録表示部などは省略してある。
また、前出の図１０で説明したものと同一の機能をもつ
ものには、図１０と同一の符号が付けてある。FIG. 13 shows a concrete example of the construction of the measuring head section of the second embodiment. The container 11 integrated with the attachment band is attached to the head like a headband, and the oxygen saturation of hemoglobin in the brain is measured by the measuring unit mounted in the container. The device shown in this embodiment uses light of two different predetermined wavelengths λ1 and λ2, and its operation is almost the same as that of the device of the first embodiment. However, in FIG. 13, only the measurement head unit is shown, and the light source unit, the light detection unit, the arithmetic processing unit, the recording display unit, and the like are omitted.
Further, the same reference numerals as those in FIG. 10 are attached to those having the same functions as those described in FIG. 10 above.
【０１７９】光源部（図示せず）からの所定波長λ1 あ
るいはλ2 の光は、光ファイバー４３を通過して計測部
に導かれ、光ファイバーの先端に付けた拡散体４２を介
して散乱吸収体である頭部に入射される。したがって、
散乱吸収体の表面の所定部分に種々の入射角度成分をも
つ光が入射される。この際、２つの波長は、計測対象で
ある特定吸収成分に対して吸収係数が異なるよう、適宜
に選ばれる必要がある。散乱吸収体である頭部内を拡散
伝搬した光は、光ファイバー３５、３６及び３７で受光
され、それそれ３個の光検出器（図示せず）に導かれ、
そこで電気信号に変換される。Light of a predetermined wavelength λ 1 or λ 2 from a light source section (not shown) is guided to the measurement section through the optical fiber 43, and is diffused through the diffuser 42 attached to the tip of the optical fiber. Is incident on the head. Therefore,
Light having various incident angle components is incident on a predetermined portion of the surface of the scattering medium. At this time, the two wavelengths need to be appropriately selected so that the absorption coefficients differ with respect to the specific absorption component to be measured. The light diffusely propagating in the head, which is a scattering medium, is received by the optical fibers 35, 36, and 37, and guided to the three photodetectors (not shown),
There, it is converted into an electric signal.
【０１８０】光ファイバー４３には、図１４（ａ）に示
すように２つの波長の光を波長選択で波長を切り換える
方法、あるいは図１４（ｂ）に示すように２つの波長の
光を混合する方法などを用いて、光源からの光を導く。
光検出器側では（図示せず）、これらに対応して、バン
ドパスフィルタなどを切り換えて、所定の波長の光を検
出する。この場合、２つの異なる波長の光を時分割で点
灯して、これと同期してそれぞれの波長の光を時分割で
検出する方法もある。また、相対値計測を行う場合に
は、２つの波長の光を混合した光を散乱吸収体に入射し
て、図１３に示した３個の光検出器のうち、２個の光検
出器は波長λ1 の光、他の１個の光検出器は波長λ2 の
光を検出するようにすることもできる。In the optical fiber 43, a method of switching light of two wavelengths by wavelength selection as shown in FIG. 14A or a method of mixing light of two wavelengths as shown in FIG. 14B. The light from the light source is guided using, for example.
On the photodetector side (not shown), a bandpass filter or the like is switched correspondingly to detect light of a predetermined wavelength. In this case, there is also a method of turning on lights of two different wavelengths in a time division manner and detecting the light of each wavelength in a time division manner in synchronization with this. In addition, in the case of performing relative value measurement, light that is a mixture of lights of two wavelengths is incident on the scattering medium, and two of the three photodetectors shown in FIG. The light of wavelength λ 1 and the other photodetector may detect the light of wavelength λ 2 .
【０１８１】さらに以上の構成で、光源や光検出器など
を容器１１の中に入れてもよい。この場合、電源や信号
などはコネクタを介して電気的に接続される。Further, with the above structure, a light source, a photodetector and the like may be put in the container 11. In this case, a power source, a signal, etc. are electrically connected via a connector.
【０１８２】以上に述べた第２実施例の構成における未
知数は、波長λ1 とλ2 に対する吸収係数μa1とμa2、
波長λ1 とλ2 に対する輸送散乱係数μS1′及び
μS2′、及び前記の光減衰率ηであり、未知数の数は５
個になる。したがって、絶対値計測を行うには、５種以
上の光検出信号を得る必要があり、前述した所定のパラ
メータに関する５連の関係に基づいて、第２次情報であ
る内部情報、例えばヘモグロビンの酸素飽和度などが算
出される。The unknowns in the configuration of the second embodiment described above are absorption coefficients μ a1 and μ a2 for wavelengths λ 1 and λ 2 ,
Transport scattering coefficients μ S1 ′ and μ S2 ′ for wavelengths λ 1 and λ 2 and the optical attenuation factor η, and the number of unknowns is 5
Become individual. Therefore, in order to perform the absolute value measurement, it is necessary to obtain five or more types of light detection signals, and based on the above-mentioned five-series relationship regarding the predetermined parameter, internal information that is secondary information, for example, oxygen of hemoglobin The degree of saturation is calculated.
【０１８３】また、波長λ1 とλ2 に対して輸送散乱係
数が等しいと見做せるとき、つまりμS1′＝μS2′のと
きは未知数の数が４個になるから、４個以上の光検出信
号から内部情報を算出することができる。さらに、前記
光減衰率ηが無視できるときは、未知数の数が３個にな
り、３個の光検出信号から内部情報を算出することがで
きる。さらに、内部情報の時間変化などの相対値計測を
行う場合にも、必要な光検出信号の数を減らすことがで
きる場合がある。Further, when it can be considered that the transport scattering coefficients are equal to the wavelengths λ 1 and λ 2 , that is, when μ S1 ′ = μ S2 ′, the number of unknowns becomes four, and therefore four or more Internal information can be calculated from the light detection signal. Furthermore, when the optical attenuation factor η can be ignored, the number of unknowns becomes three, and the internal information can be calculated from the three photodetection signals. In addition, the number of required photodetection signals may be reduced in some cases even when the relative value of internal information is measured.
【０１８４】以上のような光検出信号に対する種々の演
算は演算処理器（図示せず）で実行される。この演算
は、第１実施例とほぼ同様であり、コンピュータなどを
利用して高速に実行することができる。Various arithmetic operations for the photodetection signal as described above are executed by an arithmetic processor (not shown). This calculation is almost the same as in the first embodiment, and can be executed at high speed using a computer or the like.
【０１８５】（第３実施例）図１５は本願の発明の第３
実施例を示すもので、変調光を入射して散乱吸収体９の
内部情報、例えば吸収係数や特定吸収成分の濃度を計測
する方法を示す。なお図１５の中で、図１０及び図１３
に示したものと作用あるいは動作が同一であるものにつ
いては、図１０及び図１３で用いたものと同一の符号が
付けてある。変調光源２１で発生した所定波長の変調光
は、２つの所定の角周波数成分ω1 とω2 をもち、光フ
ァイバー４３を介して、光入射部４に導かれる。ここで
は、光入射部として前記拡散体を利用している。(Third Embodiment) FIG. 15 shows a third embodiment of the present invention.
An example is shown, and a method of measuring the internal information of the scattering medium 9, for example, the absorption coefficient and the concentration of the specific absorption component, by inputting the modulated light will be described. In addition, in FIG.
The same reference numerals as those used in FIGS. 10 and 13 are attached to the same functions or operations as those shown in FIG. The modulated light of a predetermined wavelength generated by the modulation light source 21 has two predetermined angular frequency components ω 1 and ω 2, and is guided to the light incident section 4 via the optical fiber 43. Here, the diffuser is used as the light incident portion.
【０１８６】２つ以上の所定の周波数成分を含む変調光
は、図１６に示すように、レーザーダイオードの電流変
調を利用して発生させることができる。この場合、レー
ザーダイオードを駆動する電流は、所定の周波数成分の
２つ以上の正弦波を加算器で加算して発生させる。ま
た、変調周波数が異なる２つの変調光を混合して発生さ
せることもできる。また、既に述べたように、上記の計
測では繰り返しパルス光や繰り返し方形波光を利用して
もよい。The modulated light containing two or more predetermined frequency components can be generated by utilizing the current modulation of the laser diode as shown in FIG. In this case, the current for driving the laser diode is generated by adding two or more sine waves of a predetermined frequency component with an adder. It is also possible to mix and generate two modulated lights having different modulation frequencies. Further, as described above, repetitive pulsed light or repetitive square wave light may be used in the above measurement.
【０１８７】光入射部４は、散乱吸収体の表面に種々の
角度成分をもつ光を入射させるもので、具体的な構成例
としては第１実施例で説明したように種々のものがあ
る。光入射部４を介して散乱吸収体９に入射された光
は、散乱吸収体９の内部を拡散伝搬する。この光の一部
分は、光ファイバー３５を通過して光検出器６２で電気
信号に変換される。演算処理器７を構成するロックイン
アンプ７１は、光検出信号を演算して第１次情報である
所定周波数成分の信号の位相遅れΦを検出する。このと
き、前記変調光に同期した角周波数ωの信号をロックイ
ンアンプ７１の参照信号として利用する。具体的には、
ロックインアンプ７１を構成する信号検出部７２は、ま
ず前記光検出信号から所定の角周波数成分ω1 の信号を
検出し、次段のパラメータ検出部は所定のパラメータつ
まり位相遅れΦ1 を検出する。つぎに、ロックインアン
プ７１の参照信号を切り換えて、所定の角周波数ω2 に
対する位相遅れΦ2 を検出する。なお、前記ロックイン
アンプ７１は、これと同等の機能をもつ種々の回路方式
の装置で置き換えることができる。The light incident section 4 is for making light having various angular components incident on the surface of the scattering medium, and there are various concrete construction examples as described in the first embodiment. The light that has entered the scattering medium 9 through the light incident portion 4 diffuses and propagates inside the scattering medium 9. A part of this light passes through the optical fiber 35 and is converted into an electric signal by the photodetector 62. The lock-in amplifier 71 that constitutes the arithmetic processing unit 7 calculates the light detection signal and detects the phase delay Φ of the signal of the predetermined frequency component that is the primary information. At this time, a signal having an angular frequency ω synchronized with the modulated light is used as a reference signal for the lock-in amplifier 71. In particular,
The signal detection unit 72 constituting the lock-in amplifier 71 first detects the signal of the predetermined angular frequency component ω 1 from the light detection signal, and the parameter detection unit in the next stage detects the predetermined parameter, that is, the phase delay Φ 1 . . Next, the reference signal of the lock-in amplifier 71 is switched to detect the phase delay Φ 2 with respect to the predetermined angular frequency ω 2 . The lock-in amplifier 71 can be replaced with a device having various circuit systems having the same function.
【０１８８】内部情報演算部７４は、第１次情報である
位相遅れΦと拡散伝搬光の拡散伝搬経路における吸収特
性及び散乱特性との関係、例えば（３．１８）式及び
（３．１９）式に示した関係を前記のΦ1 及びΦ2 に対
して連立させ、その連立関係に基づいて第２次情報であ
る散乱吸収体の内部情報、例えば吸収係数μa や輸送散
乱係数μS ′を算出する。このとき必要に応じて、測距
器６８で計測した距離ｄを演算に用いる。さらに、これ
らの結果は必要に応じて記録表示あるいは出力される。The internal information calculator 74 has a relationship between the phase delay Φ which is the primary information and the absorption characteristic and the scattering characteristic of the diffuse propagation light in the diffusion propagation path, for example, the expressions (3.18) and (3.19). The relations shown in the equations are made simultaneous with respect to Φ 1 and Φ 2 , and based on the simultaneous relations, internal information of the scattering medium, which is the secondary information, such as absorption coefficient μ a and transport scattering coefficient μ S ′ To calculate. At this time, the distance d measured by the range finder 68 is used for the calculation, if necessary. Further, these results are recorded or displayed or output as needed.
【０１８９】上記の構成で、異なる２つの波長λ1 とλ
2 の光に対して計測を行えば、それぞれの波長に対する
吸収係数μa1及びμa2、及びそれぞれの波長に対する輸
送散乱係数μS1′及びμS2′を求めることができる。し
たがって、例えば特定吸収成分や特定散乱成分の定量、
あるいはヘモグロビンの酸素飽和度などを算出すること
ができる。また、３種以上の波長の光を利用すれば、よ
り精度の高い計測、あるいはバックグラウンド吸収があ
る試料の計測などが可能になる。さらに、複数チャンネ
ルの光検出系を利用することもできる。With the above configuration, two different wavelengths λ 1 and λ
If the measurement is performed on the two lights, the absorption coefficients μ a1 and μ a2 for the respective wavelengths and the transport scattering coefficients μ S1 ′ and μ S2 ′ for the respective wavelengths can be obtained. Therefore, for example, quantification of specific absorption components and specific scattering components,
Alternatively, the oxygen saturation of hemoglobin can be calculated. Further, by using light of three or more kinds of wavelengths, it is possible to perform more accurate measurement, or measurement of a sample having background absorption. Furthermore, a photodetection system with a plurality of channels can also be used.
【０１９０】このような２波長分光計測では、２つの波
長に対する輸送散乱係数μS1′とμS2′の絶対値が求め
られるという、従来例にはない大きな利点が生じる。し
たがって、従来の２波長分光における仮定、つまり異な
る２つの波長の光に対する散乱成分の散乱係数が同一ま
たは差があっても極めて小さいという仮定が成立しなく
ても、本願の発明による計測方法及び装置では、精度の
高い計測ができる。このように、本願の発明による計測
方法や装置は、従来の２波長分光計測の適用範囲を大幅
に拡大して、計測精度を大きく向上させることができ
る。なお、異なる２つの波長に対して輸送散乱係数
μS ′が等しいと見做せる場合には、より簡単な式ある
いは関係を利用することができる。In such a two-wavelength spectroscopic measurement, the absolute value of the transport scattering coefficients μ S1 ′ and μ S2 ′ for two wavelengths can be obtained, which is a great advantage not seen in the prior art. Therefore, even if the assumption in the conventional two-wavelength spectroscopy, that is, the assumption that the scattering coefficient of the scattering component with respect to light of two different wavelengths is the same or has a very small difference, the measuring method and apparatus according to the present invention are not required. Then, highly accurate measurement can be performed. As described above, the measuring method and apparatus according to the present invention can greatly expand the applicable range of the conventional two-wavelength spectroscopic measurement and greatly improve the measurement accuracy. If it can be considered that the transport scattering coefficient μ S ′ is the same for two different wavelengths, a simpler equation or relation can be used.
【０１９１】さらに上記の構成で、散乱吸収体９に対し
て光入射位置と光検出位置を同期して相対的に走査させ
れば（図示せず）、内部情報の空間分布を計測すること
ができる。このとき、複数チャンネルの光検出系を利用
することもできる。また、当然ではあるが前記の計測を
異なる時間に行えば、前記内部情報の時間変化を計測す
ることができ、この種の計測は脳内酸素量などのモニタ
リングに利用される。さらに、上記で求めた吸収係数μ
a や輸送散乱係数μS ′が、前記光入射位置−光検出位
置に対応する拡散伝搬光の拡散伝搬経路に沿った線積分
値であると見做せば、このデータを利用して、Ｘ線ＣＴ
に見られるような断層像を再構成することが可能にな
る。Further, with the above structure, if the light incident position and the light detection position are synchronously scanned relative to the scattering medium 9 (not shown), the spatial distribution of internal information can be measured. it can. At this time, a photodetection system with a plurality of channels can also be used. Further, as a matter of course, if the above measurement is performed at different times, it is possible to measure the time change of the internal information, and this kind of measurement is used for monitoring the oxygen content in the brain. In addition, the absorption coefficient μ obtained above
If it is considered that a and the transport scattering coefficient μ S ′ are line integral values along the diffusion propagation path of the diffusion propagation light corresponding to the light incident position-light detection position, this data is used to calculate X Line CT
It becomes possible to reconstruct a tomographic image as seen in FIG.
【０１９２】以上のような演算は、通常、メモリ、デイ
スプレイなどを備えたコンピュータ装置によって高速に
実行される。The above-described calculation is usually executed at high speed by a computer device equipped with a memory, a display and the like.
【０１９３】（第４実施例）図１７は本願の発明の第４
実施例の構成を示すもので、人体頭部や生体内部の内部
情報計測に使用される。具体的には、脳内や筋肉内の酸
化ヘモグロビンの濃度あるいはヘモグロビンの酸素飽和
度などを計測あるいはモニタリングすることができる。
この実施例は、反射型計測に変調光法を適用したもので
ある。なお、図１７の中では、図１０、図１３、及び図
１５に示したものと作用あるいは動作が同一であるもの
は、それらと同一の符号を付けた。(Fourth Embodiment) FIG. 17 shows a fourth embodiment of the present invention.
The configuration of the embodiment is shown and is used for measuring internal information of the human head and the inside of a living body. Specifically, the concentration of oxyhemoglobin in the brain or muscle or the oxygen saturation of hemoglobin can be measured or monitored.
In this embodiment, the modulated light method is applied to the reflection type measurement. In FIG. 17, components having the same operation or operation as those shown in FIGS. 10, 13, and 15 are designated by the same reference numerals.
【０１９４】変調光源２１は２つの所定の角周波数成分
ω1 とω2 をもち、光ファイバーなどの導光部３１を介
して、光入射部４に導かれる。光入射部４は、散乱吸収
体表面に種々の入射角度成分をもつ光を入射させるもの
で、具体的な構成例としては第１実施例で説明したよう
に種々のものがある。光入射部４を介して散乱吸収体９
に入射された光は、散乱吸収体９の内部を拡散伝搬し、
その光の一部は導光部３２を通過して光検出器６２で電
気信号に変換される。演算処理器７は、前記実施例３と
同様にして、光検出信号を演算して第１次情報である所
定周波数成分の信号の位相遅れΦを検出し、第２次情報
である散乱吸収体の内部情報、例えば吸収係数μa や輸
送散乱係数μS ′を算出する。このとき、前記変調光に
同期した角周波数ωの信号を参照信号として利用する。
さらに、これらの結果は必要に応じて記録表示あるいは
出力される。The modulated light source 21 has two predetermined angular frequency components ω 1 and ω 2, and is guided to the light incident portion 4 via the light guide portion 31 such as an optical fiber. The light incident section 4 is for making light having various incident angle components incident on the surface of the scattering medium, and there are various concrete constitution examples as described in the first embodiment. Scattering absorber 9 through the light incident part 4
The light incident on is diffusely propagated inside the scattering medium 9,
A part of the light passes through the light guide portion 32 and is converted into an electric signal by the photodetector 62. Similar to the third embodiment, the arithmetic processor 7 calculates the photodetection signal to detect the phase delay Φ of the signal of the predetermined frequency component which is the primary information, and the scattering absorber which is the secondary information. The internal information of, for example, absorption coefficient μ a and transport scattering coefficient μ S ′ are calculated. At this time, a signal of angular frequency ω synchronized with the modulated light is used as a reference signal.
Further, these results are recorded or displayed or output as needed.
【０１９５】２つ以上の所定の周波数成分を含む変調光
は、レーザーダイオードの電流変調を利用して発生させ
る方法、変調周波数が異なる２つの変調光を混合して発
生させる方法を利用することができる。また、既に述べ
たように、上記の計測では繰り返しパルス光や繰り返し
方形波光を利用してもよい。The modulated light containing two or more predetermined frequency components can be generated by using the current modulation of the laser diode or by mixing two modulated lights having different modulation frequencies. it can. Further, as described above, repetitive pulsed light or repetitive square wave light may be used in the above measurement.
【０１９６】この実施例でも、前記の第３実施例と同様
にして、異なる２つの波長λ1 とλ2 の光を利用して、
それぞれの波長に対する吸収係数μa1及びμa2、及びそ
れぞれの波長に対する輸送散乱係数μS1′及びμS2′を
求めることができる。したがって、例えば特定吸収成分
や特定散乱成分の定量、あるいはヘモグロビンの酸素飽
和度などを算出することができる。また、３種以上の波
長の光を利用すれば、より精度の高い計測、あるいはバ
ックグラウンド吸収がある試料の計測などが可能にな
る。さらに、複数チャンネルの光検出系を利用すること
もできる。また、異なる２つの波長に対して輸送散乱係
数μS ′が等しいと見做せる場合には、より簡単な式あ
るいは関係を利用することができる。また、以上の方法
を相対値計測に応用することもできる。この場合には、
先に説明したように、連立関係の数を減らせる場合があ
る。さらに、図１７の構成で、散乱吸収体９に対して、
計測ヘッド部１０を走査（図示せず）させれば、散乱吸
収体の内部情報の空間分布を計測することができる。こ
の場合、簡便には、人間の手で計測ヘッド部１０を走査
する方法がある。Also in this embodiment, light of two different wavelengths λ 1 and λ 2 is utilized in the same manner as in the third embodiment,
The absorption coefficients μ a1 and μ a2 for each wavelength and the transport scattering coefficients μ S1 ′ and μ S2 ′ for each wavelength can be determined. Therefore, for example, the quantification of the specific absorption component or the specific scattering component, or the oxygen saturation of hemoglobin can be calculated. Further, by using light of three or more kinds of wavelengths, it is possible to perform more accurate measurement, or measurement of a sample having background absorption. Furthermore, a photodetection system with a plurality of channels can also be used. Further, when it can be considered that the transport scattering coefficient μ S ′ is the same for two different wavelengths, a simpler formula or relation can be used. Also, the above method can be applied to relative value measurement. In this case,
As described above, the number of simultaneous relationships may be reduced. Further, in the configuration of FIG. 17, for the scattering medium 9,
If the measurement head unit 10 is scanned (not shown), the spatial distribution of the internal information of the scattering medium can be measured. In this case, for convenience, there is a method of scanning the measurement head unit 10 with a human hand.
【０１９７】以上のような演算は、通常、メモリ、デイ
スプレイなどを備えたコンピュータ装置によって高速に
実行される。また、計測ヘッド部１０は、第２実施例に
示したように、バンドに取り付ける構造としてもよい。The above-described calculation is usually executed at high speed by a computer device equipped with a memory, a display and the like. Further, the measuring head unit 10 may have a structure to be attached to the band, as shown in the second embodiment.
【０１９８】（第５実施例）図１８は、第５実施例の散
乱吸収体の断層像計測装置の構成を示す。この第５実施
例では、変調光入射点と光検出点を結ぶ計測線が、散乱
吸収体の所定の断面内において、あらゆる方向となるよ
うに、計測対象である散乱吸収体を回転、あるいは逆に
変調光入射部と光検出器のペアを回転走査させて計測す
る。そして得られた第２次情報をさらに演算処理して、
種々の内部情報に関する断層像を再構成する。(Fifth Embodiment) FIG. 18 shows the construction of a tomographic image measuring apparatus for a scattering medium according to the fifth embodiment. In the fifth embodiment, the scattering absorber to be measured is rotated or reversed so that the measurement line connecting the modulated light incident point and the light detection point is in any direction within a predetermined cross section of the scattering medium. The measurement is performed by rotating and scanning the pair of the modulated light incident part and the photodetector. Then, the obtained secondary information is further processed,
Reconstruct tomographic images of various internal information.
【０１９９】図１８に示す構成は、前出の図１５と基本
部分は同じであるが、計測対象９２を保持する部分、波
長選択器２２、光ガイド３８、断層像再構成用の信号処
理器７５などが異なる。光源２は発振器２５からの信号
に同期して、２つの所定の波長の光の変調光を発生す
る。この変調光は、２つの所定の角周波数成分ω1 とω
2 をもち、その光強度Ｉ（ｔ）は、例えばＩ＝Ｉ0 （２
＋Ｍ1 ｃｏｓω1 ｔ＋Ｍ2 ｃｏｓω2 ｔ）のようにな
る。The structure shown in FIG. 18 is the same as that of FIG. 15 described above in the basic part, but the part for holding the measurement object 92, the wavelength selector 22, the optical guide 38, and the signal processor for reconstructing the tomographic image. 75 etc. are different. The light source 2 synchronizes with the signal from the oscillator 25 to generate modulated light of two lights having a predetermined wavelength. This modulated light has two predetermined angular frequency components ω 1 and ω
2 and its light intensity I (t) is, for example, I = I 0 (2
+ M 1 cos ω 1 t + M 2 cos ω 2 t).
【０２００】以上のような変調光は、波長選択器２２で
波長選択されて、λ1 またはλ2 の何れかの波長の変調
光が光ファイバー４３を通って、インターフェース材９
１に囲まれた計測対象９２に入射する。インターフェー
ス材９１は、計測対象９２とほぼ等しい屈折率とほぼ等
しい輸送散乱係数をもつ液状物体あるいはゼリー状物体
である。また、インターフェース材９１は、光反射の少
ない薄膜の容器９３で取り囲まれている。したがつて、
インターフェース材９１を入れた容器９３へ入射する光
はその境界面での反射が少ない。また、薄膜容器９３の
表裏面が粗面であれば入射光はあらゆる方向に進む成分
をもつ。このようにすれば、拡散光はインターフェース
材９１と計測対象９２の内部を拡散伝搬し、光検出部に
到達する。光検出部には光ガイド３８があり、この光ガ
イド３８を介して、検出光が光検出器６２に入射する。
ここで、光ガイド３８の開口部の周辺のインターフェー
ス材９１を入れた容器９３の内側は、光吸収体にしてお
くことが望ましい。このようにすることによって、内面
での光反射がなくなり、正確な計測ができる。The modulated light as described above is wavelength-selected by the wavelength selector 22, and the modulated light having a wavelength of either λ 1 or λ 2 passes through the optical fiber 43 and the interface material 9
It is incident on the measurement target 92 surrounded by 1. The interface material 91 is a liquid object or a jelly-like object having a refractive index substantially equal to that of the measurement target 92 and a transport scattering coefficient substantially equal thereto. The interface material 91 is surrounded by a thin-film container 93 that reflects little light. Therefore,
Light incident on the container 93 containing the interface material 91 is less reflected at the boundary surface. If the front and back surfaces of the thin film container 93 are rough surfaces, the incident light has a component that travels in all directions. In this way, the diffused light diffuses and propagates inside the interface material 91 and the measurement target 92, and reaches the photodetector. The photodetector has a light guide 38, and the detection light is incident on the photodetector 62 via the light guide 38.
Here, it is preferable that the inside of the container 93 containing the interface material 91 around the opening of the light guide 38 is a light absorber. By doing so, light reflection on the inner surface is eliminated, and accurate measurement can be performed.
【０２０１】なお、光ファイバー４３、光ガイド３８、
インターフェース材９１および容器９３に対して、計測
対象９２が相対的に回転することになる。したがって、
容器９３は断面の外径は円形であるが、内側は計測対象
９２に対応した形になり、かつ計測対象９２が回転して
も隙間ができないような構造にする必要がある。かかる
構造として、例えば図１８に示すように計測対象９２の
周囲を包む１個の容器とする方法と、容器を光入射側と
出力側のそれぞれに１個ずつ用意する方法とがある。い
ずれにしても、重力または圧力を利用してインターフェ
ース材９１が光入射および光検出用の開口に密接し、か
つ内側が計測対象９２に密着するように工夫する必要が
ある。The optical fiber 43, the light guide 38,
The measurement target 92 rotates relative to the interface material 91 and the container 93. Therefore,
The container 93 has a circular cross-sectional outer diameter, but the inside needs to have a structure that corresponds to the measurement target 92 and that no gap is formed even if the measurement target 92 rotates. As such a structure, for example, as shown in FIG. 18, there is a method of forming one container around the measurement target 92 and a method of preparing one container on each of the light incident side and the output side. In any case, it is necessary to devise such that the interface material 91 is brought into close contact with the light incident and light detection openings and the inside is brought into close contact with the measurement target 92 by utilizing gravity or pressure.
【０２０２】以上のような構成によって、まず所定の波
長λ1 に対する光検出信号が、第４実施例と同様にして
演算処理器で演算処理されて、第２次情報、例えば波長
λ1における吸収係数μa1が算出される。このような第
２次情報は、計測対象の所定の断面を種々の方向から計
測したデータ、例えば回転角１°毎に全方向から計測し
た３６０個のデータである。このような第２次情報は、
光入射位置と光検出位置を結ぶ直線、つまり拡散伝搬経
路に沿った吸収係数の線積分値と見做なせるから、信号
処理器７５で、Ｘ線ＣＴに見られるような画像再構成を
行って、例えば波長λ1 における吸収係数の断層像を算
出し、これを前記信号処理器に備えられた第１の画像メ
モリー（図示せず）に記憶する。With the above-mentioned structure, the photodetection signal for the predetermined wavelength λ 1 is first processed by the arithmetic processor in the same manner as in the fourth embodiment, and the secondary information, for example, the absorption at the wavelength λ 1 is absorbed. The coefficient μ a1 is calculated. Such secondary information is data obtained by measuring a predetermined cross section of the measurement target from various directions, for example, 360 pieces of data measured at every rotation angle of 1 ° from all directions. Such secondary information is
Since it can be regarded as a straight line connecting the light incident position and the light detection position, that is, a line integral value of the absorption coefficient along the diffusion propagation path, the signal processor 75 performs image reconstruction as seen in X-ray CT. Then, for example, a tomographic image of the absorption coefficient at the wavelength λ 1 is calculated, and this is stored in the first image memory (not shown) provided in the signal processor.
【０２０３】つぎに、波長選択器２２で変調光の波長を
所定の波長λ2 に切り換えて、上記と同様の計測を行
い、前記と同様にして再構成画像、例えば波長λ2 にお
ける吸収係数μa2の断層像を信号処理器７５に備えられ
た第２の画像メモリー（図示せず）に記憶する。さらに
信号処理器７５は、波長λ1 と波長λ2 における断層像
を演算処理して、特定吸収成分の濃度の断層像、あるい
はヘモグロビンの酸素飽和度の断層像などを算出する。
さらにこれらの結果は、画像表示記録器８１に表示記録
される。Next, the wavelength of the modulated light is switched to a predetermined wavelength λ 2 by the wavelength selector 22, the same measurement as above is performed, and the reconstructed image, for example, the absorption coefficient μ at the wavelength λ 2 is measured in the same manner as above. The tomographic image of a2 is stored in the second image memory (not shown) provided in the signal processor 75. Further, the signal processor 75 arithmetically processes the tomographic images at the wavelength λ 1 and the wavelength λ 2 to calculate a tomographic image of the concentration of the specific absorption component or a tomographic image of the oxygen saturation of hemoglobin.
Further, these results are displayed and recorded in the image display recorder 81.
【０２０４】なお、上記の実施例で得られる断層像は、
散乱吸収体内部の吸収係数、散乱係数、特定成分の濃
度、酸化ヘモグロビンの飽和度などの分布である。ま
た、上記の説明では、制御あるいは設定可能な既知数と
して、変調角周波数ω1 とω2 及び波長λ1 とλ2 を用
いたが、これらは計測目的に応じて、それぞれの数を増
減することができる。The tomographic image obtained in the above embodiment is
The distribution of the absorption coefficient inside the scattering medium, the scattering coefficient, the concentration of a specific component, the saturation of oxyhemoglobin, and the like. Further, in the above description, the modulation angular frequencies ω 1 and ω 2 and the wavelengths λ 1 and λ 2 are used as known numbers that can be controlled or set, but these are increased or decreased depending on the measurement purpose. be able to.
【０２０５】[0205]
【発明の効果】以上に述べたように、本願の発明によれ
ば、散乱吸収体に種々の入射角度成分をもつ光を入射し
て、散乱吸収体の表面の極近傍に等価的な点光源あるい
は点光源の集まりを生成して、散乱吸収体の内部情報を
計測するので、計測精度が大幅に向上し、高精度の絶対
値計測が可能になる。また、輸送散乱係数や吸収係数が
異なる種々の散乱吸収体に対して、等価光源が生成され
る位置が一定になるので、これらに対する内部情報計測
の精度を大幅に向上させることができる。さらに、散乱
吸収体内部の拡散伝搬光の拡散伝搬経路が、光入射側と
光検出側で対称になるので、内部の特定位置の情報を求
めるための演算処理が簡単になるとともに、その計測精
度が大幅に向上する。As described above, according to the invention of the present application, light having various incident angle components is made incident on the scattering medium, and an equivalent point light source is provided near the surface of the scattering medium. Alternatively, since a collection of point light sources is generated and the internal information of the scattering medium is measured, the measurement accuracy is greatly improved, and highly accurate absolute value measurement is possible. Further, since the position where the equivalent light source is generated is constant with respect to various scattering absorbers having different transport scattering coefficients and absorption coefficients, the accuracy of internal information measurement for these can be significantly improved. Further, the diffusion propagation path of the diffuse propagation light inside the scattering medium is symmetrical between the light incident side and the light detection side, which simplifies the calculation process for obtaining the information of the specific position inside and the measurement accuracy. Is greatly improved.
【図１】散乱吸収体内部の光の振る舞い（反射型；コリ
メート光入射）の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of the behavior of light inside a scattering medium (reflection type; collimated light incidence).
【図２】散乱吸収体内部の光の振る舞い（反射型；等方
性光入射）の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the behavior of light inside the scattering medium (reflection type; isotropic light incidence).
【図３】散乱吸収体内部の光の振る舞い（透過型；コリ
メート光入射）の説明図である。FIG. 3 is an explanatory view of the behavior of light inside the scattering medium (transmission type; collimated light incidence).
【図４】散乱吸収体内部の光の振る舞い（透過型；等方
性光入射）の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of the behavior of light inside the scattering medium (transmission type; isotropic light incidence).
【図５】自由表面近くの光子流動率φの説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a photon flux rate φ near a free surface.
【図６】反射型計測のモデルの説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of a reflection-type measurement model.
【図７】透過型計測のモデルの説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram of a transmission measurement model.
【図８】内部情報の絶対値計測（反射型計測）の説明図
である。FIG. 8 is an explanatory diagram of absolute value measurement (reflection type measurement) of internal information.
【図９】内部情報の絶対値計測（透過型計測）の説明図
である。FIG. 9 is an explanatory diagram of absolute value measurement (transmission type measurement) of internal information.
【図１０】第１実施例の装置の構成図である。FIG. 10 is a block diagram of the apparatus of the first embodiment.
【図１１】光入射部の具体的な構成図である。FIG. 11 is a specific configuration diagram of a light incident portion.
【図１２】光入射部の具体的な構成図である。FIG. 12 is a specific configuration diagram of a light incident portion.
【図１３】第２実施例の装置の構成図である。FIG. 13 is a configuration diagram of an apparatus according to a second embodiment.
【図１４】波長の異なる光の切り換え方法と混合方法の
説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram of a switching method and a mixing method of lights having different wavelengths.
【図１５】第３実施例の装置の構成図である。FIG. 15 is a configuration diagram of an apparatus according to a third embodiment.
【図１６】レーザーダイオードによる変調光の発生方法
の説明図である。FIG. 16 is an explanatory diagram of a method of generating modulated light by a laser diode.
【図１７】第４実施例の装置の構成図である。FIG. 17 is a configuration diagram of an apparatus according to a fourth embodiment.
【図１８】第５実施例の装置の構成図である。FIG. 18 is a block diagram of an apparatus of a fifth embodiment.
【図１９】インターフェース容器の変形例の説明図であ
る。FIG. 19 is an explanatory diagram of a modified example of the interface container.
【図２０】散乱吸収体内部の光子流動率φを求めるため
のモデル（従来例）の説明図である。FIG. 20 is an explanatory diagram of a model (conventional example) for obtaining the photon flow rate φ inside the scattering medium.
【図２１】コリメート光入射に対する散乱吸収体内部の
光の振る舞いの説明図（従来例）である。FIG. 21 is an explanatory diagram (conventional example) of the behavior of light inside the scattering medium with respect to incidence of collimated light.
【図２２】変調光（コリメート光）入射に対する散乱吸
収体内部の光の振る舞いの説明図（従来例）である。FIG. 22 is an explanatory diagram (conventional example) of the behavior of light inside the scattering medium with respect to incident modulated light (collimated light).
【符号の説明】
１０…計測ヘッド、１１…ケース、２…光源、２１…変
調光源、２２…波長選択器、２５…発振器、３１，３
２，３３，３４…導光部、３５，３６，３７，４３…光
ファイバー、３８…光ガイド、４…光入射部、４１…レ
ンズ、４２…拡散体、４４…積分球、４５…微小球レー
ザー、４８…コネクター、４９…管状ケース、６２，６
３，６４…光検出器、６８…測距器、７…演算処理器、
７１…ロックインアンプ、７２…信号検出部、７３…パ
ラメータ演算部、７４…内部情報演算部、７５…信号処
理器、８…表示記録器、８１…画像表示記録器、９…散
乱吸収体、９１…インターフェース材、９２…計測対
象、９３…容器[Explanation of Codes] 10 ... Measuring Head, 11 ... Case, 2 ... Light Source, 21 ... Modulated Light Source, 22 ... Wavelength Selector, 25 ... Oscillator, 31, 3
2, 33, 34 ... Light guide part, 35, 36, 37, 43 ... Optical fiber, 38 ... Optical guide, 4 ... Light incident part, 41 ... Lens, 42 ... Diffuser, 44 ... Integrating sphere, 45 ... Microsphere laser , 48 ... Connector, 49 ... Tubular case, 62, 6
3, 64 ... Photodetector, 68 ... Rangefinder, 7 ... Arithmetic processing unit,
71 ... Lock-in amplifier, 72 ... Signal detection unit, 73 ... Parameter calculation unit, 74 ... Internal information calculation unit, 75 ... Signal processor, 8 ... Display recorder, 81 ... Image display recorder, 9 ... Scattering absorber, 91 ... Interface material, 92 ... Measurement object, 93 ... Container
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−261109（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−297049（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−54437（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−54439（ＪＰ，Ａ) Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ，日本，1987年12 月，Ｎｏ．97，ｐ93−96 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A 5-261109 (JP, A) JP-A 1-297049 (JP, A) JP-A 4-54437 (JP, A) JP-A 4- 54439 (JP, A) O plus E, Japan, December 1987, No. 97, p93-96 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 21/00-21/01 G01N 21/17-21/61 JISST file (JOIS) Practical file (PATOLIS) Patent file ( PATOLIS)
Claims (17)
光源あるいは点光源の集まりが生成されるように、種々
の入射角度成分をもつ所定波長の光を前記散乱吸収体に
入射し、 前記散乱吸収体内部を拡散伝搬した前記所定波長の光を
前記光入射位置と異なる位置で検出して光検出信号を取
得し、 等価的に生成された前記点光源あるいは前記点光源の集
まりから出た光に対して直ちに光拡散が始まると見做し
て、前記光検出信号を演算して拡散伝搬経路における散
乱特性及び吸収特性に関係する第１次情報である所定の
パラメータを検出し、 前記拡散伝搬経路における前記所定波長の光に対する散
乱特性及び吸収特性と前記所定のパラメータとの関係に
基づいて、前記所定のパラメータを演算処理して第２次
情報である散乱吸収体の内部情報を算出する、 ことを特徴とする、医療行為を除く散乱吸収体計測方
法。1. Light of a predetermined wavelength having various incident angle components is made incident on the scattering medium so that a point light source or a group of point light sources is equivalently generated in the immediate vicinity of the surface of the scattering medium. , The light of the predetermined wavelength diffused and propagated inside the scattering medium is detected at a position different from the light incident position to obtain a light detection signal, and from the point light source or a collection of the point light sources that are equivalently generated. On the assumption that light diffusion will immediately start with respect to the emitted light, the light detection signal is calculated to detect a predetermined parameter which is the primary information relating to the scattering characteristic and the absorption characteristic in the diffusion propagation path, Based on the relationship between the scattering characteristic and the absorption characteristic for the light of the predetermined wavelength in the diffusion propagation path and the predetermined parameter, the predetermined parameter is arithmetically processed to obtain the internal information of the scattering medium, which is the secondary information. A method for measuring scattering medium excluding medical practice, which is characterized by:
特定成分に対して吸収係数が異なる複数の波長の光であ
り、 前記光検出信号は、それぞれの所定波長の光に対して取
得した複数の信号であり、 第１次情報である前記所定のパラメータは、それぞれの
光検出信号を演算して検出した複数のパラメータであ
り、 前記関係は、前記拡散伝搬経路におけるそれぞれの所定
波長の光に対する散乱特性及び吸収特性とそれぞれの所
定のパラメータとの連立関係である、 ことを特徴とする請求項１記載の散乱吸収体計測方法。2. The light having a predetermined wavelength is light having a plurality of wavelengths having different absorption coefficients with respect to a specific component inside the scattering medium, and the light detection signal is obtained for each light having a predetermined wavelength. The predetermined parameters that are the primary information are the plurality of parameters that are detected by calculating the respective photodetection signals, and the relationship is the predetermined wavelength of each of the diffusion propagation paths. The scattering absorber measurement method according to claim 1, wherein the scattering and absorption characteristics for light are in a simultaneous relationship with respective predetermined parameters.
位置−光検出位置間距離に対応する散乱吸収体内部の拡
散伝搬経路を拡散伝搬した前記所定波長の光を検出して
取得した複数の信号であり、 第１次情報である前記所定のパラメータは、それぞれの
光検出信号を演算して検出した複数のパラメータであ
り、 前記関係は、それぞれの前記拡散伝搬経路における所定
波長の光に対する散乱特性及び吸収特性とそれぞれの前
記所定のパラメータとの連立関係である、 ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに
記載の散乱吸収体計測方法。3. The plurality of light detection signals are obtained by detecting light of the predetermined wavelength diffused and propagated through a diffusion propagation path inside a scattering medium corresponding to a plurality of different light incident position-light detection position distances. The predetermined parameter, which is the primary information, is a plurality of parameters detected by calculating the respective light detection signals, and the relationship is for light of a predetermined wavelength in each of the diffusion propagation paths. It is a simultaneous relationship of a scattering characteristic and an absorption characteristic and each said predetermined parameter, The scattering absorber measuring method according to claim 1 or 2 characterized by things.
を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の
散乱吸収体計測方法。4. The scattering medium measuring method according to claim 1, wherein the light of the predetermined wavelength is modulated light.
分をもつ変調光であり、 第１次情報である前記所定のパラメータは、前記光検出
信号を演算して検出した前記所定変調周波数成分の信号
の位相遅れである、 ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記
載の散乱吸収体計測方法。5. The light of the predetermined wavelength is modulated light having a predetermined modulation frequency component, and the predetermined parameter that is the primary information is the predetermined modulation frequency component detected by calculating the light detection signal. It is the phase lag of the signal of (1), The scattering medium measuring method according to any one of claims 1 to 3, wherein.
変調周波数成分をもつ変調光であり、 前記光検出信号は、それぞれの前記所定変調周波数成分
の変調光に対して取得した複数の信号であり、 第１次情報である前記所定のパラメータは、それぞれの
前記光検出信号を演算して検出した複数の前記所定変調
周波数成分の信号の位相遅れであり、 前記関係は、前記拡散伝搬経路における前記所定波長の
それぞれの前記所定変調周波数成分の変調光に対する散
乱特性及び吸収特性とそれぞれの前記位相遅れとの連立
関係である、 ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記
載の散乱吸収体計測方法。6. The light of the predetermined wavelength is modulated light having a plurality of different predetermined modulation frequency components, and the light detection signal is a plurality of signals acquired for the modulated light of the respective predetermined modulation frequency components. The predetermined parameter, which is the primary information, is a phase delay of a plurality of signals of the predetermined modulation frequency components detected by calculating the respective photodetection signals, and the relationship is the diffusion propagation path. 4. There is a simultaneous relationship between the scattering characteristic and the absorption characteristic of the predetermined modulation frequency component of each of the predetermined wavelengths with respect to the modulated light and each of the phase delays, in any one of claims 1 to 3. The scattering absorber measurement method described.
は光量である、ことを特徴とする請求項１乃至請求項４
のいずれかに記載の散乱吸収体計測方法。7. The method according to claim 1, wherein the predetermined parameter, which is the primary information, is a light quantity.
The method for measuring a scattering medium according to any one of 1.
は光入射に対する前記光検出信号の遅延時間である、こ
とを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載
の散乱吸収体計測方法。8. The scattering medium according to claim 1, wherein the predetermined parameter that is the primary information is a delay time of the light detection signal with respect to light incidence. Measuring method.
は光検出信号の時間波形の微分係数である、ことを特徴
とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の散乱吸
収体計測方法。9. The scattering medium measurement according to claim 1, wherein the predetermined parameter that is the primary information is a differential coefficient of the time waveform of the photodetection signal. Method.
タは前記光検出信号に含まれる前記変調光と同一の周波
数成分の信号の振幅である、ことを特徴とする請求項４
記載の散乱吸収体計測方法。10. The predetermined parameter, which is the primary information, is an amplitude of a signal having the same frequency component as that of the modulated light included in the photodetection signal.
The scattering absorber measurement method described.
る所定変調周波数成分をもつ変調光であり、 前記光検出信号は、それぞれの前記所定変調周波数の変
調光に対して取得した複数の信号であり、 第１次情報である前記所定のパラメータは、前記光検出
信号を演算して検出したそれぞれの前記所定変調周波数
成分の信号の振幅であり、 前記関係は、前記拡散伝搬経路における前記所定波長の
それぞれの前記所定変調周波数成分の変調光に対する散
乱特性及び吸収特性とそれぞれの前記振幅との連立関係
である、 ことを特徴とする請求項４記載の散乱吸収体計測方法。11. The modulated light having the predetermined wavelength is modulated light having a plurality of different predetermined modulation frequency components, and the light detection signal is a plurality of signals acquired for the modulated lights having the respective predetermined modulation frequencies. The predetermined parameter, which is the primary information, is the amplitude of the signal of each of the predetermined modulation frequency components detected by calculating the light detection signal, and the relationship is the predetermined value in the diffusion propagation path. 5. The scattering medium measuring method according to claim 4, wherein the scattering characteristics and the absorption characteristics for the modulated light of each of the predetermined modulation frequency components of the wavelength are in a simultaneous relationship with the respective amplitudes.
光源の集まりが生成されるように、種々の方向の入射角
度成分をもつようにして前記所定波長の光を前記散乱吸
収体に入射する光入射手段と、 散乱吸収体の内部を拡散伝搬した前記所定波長の光を前
記光入射位置と異なる位置で検出して光検出信号を取得
する光検出手段と、 等価的に生成された前記点光源あるいは前記点光源の集
まりから出た光に対して直ちに光拡散が始まると見做し
て、前記光検出信号を演算して前記拡散伝搬経路におけ
る散乱特性及び吸収特性に関係する第１次情報である所
定のパラメータを検出するパラメータ演算手段と、 前記拡散伝搬経路における前記所定波長の光に対する散
乱特性及び吸収特性と前記所定のパラメータとの関係に
基づいて、前記所定のパラメータを演算処理して第２次
情報である散乱吸収体の内部情報を算出する内部情報演
算処理手段と、 を備えることを特徴とする散乱吸収体計測装置。12. A light source that emits light of a predetermined wavelength, and has incident angle components in various directions so that a point light source or a group of point light sources is equivalently generated in the immediate vicinity of the surface of the scattering medium. In this way, a light incident means for injecting the light of the predetermined wavelength into the scattering medium, and a light detection signal by detecting the light of the predetermined wavelength diffused and propagated inside the scattering medium at a position different from the light incident position. And a light detecting means for obtaining the light source, and it is considered that light diffusion immediately starts with respect to the light emitted from the point light source or the group of point light sources that are equivalently generated, and the light detection signal is calculated to calculate the Parameter calculation means for detecting a predetermined parameter that is primary information related to scattering characteristics and absorption characteristics in the diffusion propagation path, scattering characteristics and absorption characteristics for light of the predetermined wavelength in the diffusion propagation path, and the above Internal information calculation processing means for calculating the internal information of the scattering absorber, which is the secondary information, by calculating the predetermined parameter based on the relationship with the scattering absorber. Measuring device.
分に対して吸収係数が異なる複数の所定波長の光を発生
し、 前記光検出手段は、それぞれの前記所定波長の光に対す
る前記光検出信号を取得し、 前記パラメータ演算手段は、それぞれの前記光検出信号
を演算して、第１次情報である複数の前記所定のパラメ
ータを検出し、 前記内部情報演算処理手段は、前記拡散伝搬経路におけ
るそれぞれの前記所定波長の光に対する散乱特性及び吸
収特性とそれぞれの所定のパラメータとの連立関係に基
づいて、前記所定のパラメータを演算処理して第２次情
報である散乱吸収体の内部情報を算出する、 ことを特徴とする請求項１２記載の散乱吸収体計測装
置。13. The light source generates light of a plurality of predetermined wavelengths having different absorption coefficients with respect to a specific component inside the scattering medium, and the light detecting means detects the light of each of the predetermined wavelengths. A signal, the parameter calculation means calculates each of the light detection signals to detect a plurality of the predetermined parameters that are primary information, and the internal information calculation processing means includes the diffusion propagation path. The internal information of the scattering medium, which is the secondary information, is calculated by processing the predetermined parameters on the basis of the simultaneous relationship between the scattering characteristics and the absorption characteristics for the respective light of the predetermined wavelengths and the respective predetermined parameters. It calculates, The scattering absorber measuring device of Claim 12 characterized by the above-mentioned.
複数個あり、かつ、複数の異なる光入射位置−光検出位
置間距離に対応するように配置され、 前記光検出手段は、それぞれの前記光入射位置−光検出
位置間距離に対応する散乱吸収体内部の拡散伝搬経路を
拡散伝搬する前記所定波長の光を検出して複数の光検出
信号を取得し、 前記パラメータ演算手段は、それぞれの前記光検出信号
を演算して、第１次情報である複数の所定のパラメータ
を検出し、 前記内部情報演算処理手段は、それぞれの前記拡散伝搬
経路における前記所定波長の光の散乱特性及び吸収特性
とそれぞれの所定のパラメータとの連立関係に基づい
て、前記所定のパラメータを演算処理して第２次情報で
ある散乱吸収体の内部情報を演算処理する、 ことを特徴とする請求項１２乃至請求項１３のいずれか
に記載の散乱吸収体計測装置。14. The light incident means and the light detection means
There are a plurality of light incident positions-arranged so as to correspond to different distances between the light incident positions and the light detection positions, and the light detection means correspond to the respective distances between the light incident positions-the light detection positions. The light of the predetermined wavelength that diffuses and propagates through the internal diffusion propagation path is detected to obtain a plurality of light detection signals, and the parameter calculation means calculates each of the light detection signals to obtain the primary information. Detects a plurality of predetermined parameters, the internal information calculation processing means, based on the simultaneous relationship between the scattering characteristics and absorption characteristics of the light of the predetermined wavelength in each diffusion propagation path and the respective predetermined parameters, the The scattering absorber according to any one of claims 12 to 13, wherein a predetermined parameter is arithmetically processed to calculate internal information of the scattering absorber, which is the secondary information. Measuring device.
る光源である、ことを特徴とする請求項１２乃至請求項
１４のいずれかに記載の散乱吸収体計測装置。15. The scattering medium measuring apparatus according to claim 12, wherein the light source is a light source that generates a modulated light of a predetermined wavelength.
数成分をもつ変調光を発生し、 前記光検出手段は、前記所定波長の前記所定周波数成分
の光を検出して光検出信号を取得し、 前記パラメータ演算手段は、前記所定周波数成分に対す
る前記光検出信号を演算して、第１次情報である前記所
定変調周波数成分の信号の位相遅れを検出する、ことを
特徴とする請求項１２乃至請求項１４のいずれかに記載
の散乱吸収体計測装置。16. The light source generates modulated light having a predetermined modulation frequency component of a predetermined wavelength, and the light detection means detects light of the predetermined frequency component of the predetermined wavelength to obtain a light detection signal. 13. The parameter calculating means calculates the light detection signal for the predetermined frequency component to detect a phase delay of the signal of the predetermined modulation frequency component, which is the first-order information. The scattering medium measuring apparatus according to claim 14.
所定変調周波数成分をもつ変調光を発生し、 前記光検出手段は、前記所定波長のそれぞれの所定変調
周波数成分の光を検出して複数の光検出信号を取得し、 前記パラメータ演算手段は、それぞれの前記光検出信号
を演算して、第１次情報であるそれぞれの所定変調周波
数成分の信号の位相遅れを検出し、 前記内部演算手段は、前記拡散伝搬経路における前記所
定波長のそれぞれの前記所定変調周波数成分の変調光に
対する散乱特性及び吸収特性とそれぞれの前記位相遅れ
との連立関係に基づいて、前記位相遅れを演算処理して
第２次情報である散乱吸収体の内部情報を算出する、 ことを特徴とする請求項１２乃至請求項１４のいずれか
に記載の散乱吸収体計測装置。17. The light source generates modulated light having a plurality of different predetermined modulation frequency components of a predetermined wavelength, and the light detection means detects light of each predetermined modulation frequency component of the predetermined wavelength to generate a plurality of lights. Of the light detection signal, the parameter calculation means calculates the respective light detection signals to detect the phase delay of the signal of each predetermined modulation frequency component that is the primary information, and the internal calculation means Is based on the simultaneous relationship between the scattering characteristics and the absorption characteristics for the modulated light of each of the predetermined modulation frequency components of the predetermined wavelength in the diffusion propagation path and the respective phase delays, and calculates the phase delay by The scattering absorber measuring apparatus according to any one of claims 12 to 14, wherein internal information of the scattering medium, which is secondary information, is calculated.
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